Контроль качества природных каменных материалов

1. Виды каменных материалов

С практической точки зрения все породы удобно разбить на две группы — прочные и малопрочные. Прочные породы характеризуют высокая твердость, как правило, крупно- и среднезернистое строение, малое водопоглощение в невыветренном состоянии и т. п., а малопрочные незначительная прочность и более высокое водопоглощение.

Твердость при полевом определении вида каменной породы наиболее удобно измерять по относительной шкале Мооса с помощью некоторых минералов или подручных средств, пользуясь данными табл 1. Строгий является важным цементом при определении (идентификации) вида породы. Здесь может помочь определение характера зернистости с помощью схем (рис 1). Помимо перечисленных признаков при определении породы обычно используют также цвет, сложение (слоистое, массивное и т. п) и среднюю плотность¹.

Однако этот способ определения пригоден в таком виде только для плотных каменных пород, у которых водопоглощение незначительное (максимум до 2%). При водопоглощении до 5% желательно, сначала взвесив сухой образец, поместить его в воду до полного насыщения. После этого можно определять его среднюю плотность описанным выше методом. Полным считается такое насыщение, когда приращение веса в результате водопоглощения приостанавливается. Образцы камня с высокой открытой пористостью полагается перед определением их объема парафинировать. В условиях строительства более удобно окунуть куски пористого камня в расплав битума. Взвешивание камня при этом производится как в исходном состоянии, так и после покрытия битумом. Объем битума легко учитывается, так как его плотность равна примерно 1.

Следует иметь ввиду, что пористые камни (туфы, некоторые известняки) обычно бывают малопрочными и легко обрабатываются. Поэтому из них можно с помощью обыкновенной ножовки по металлу изготовить образец правильной формы (куб или балочку), после чего, измерив грани, вычислить его объем.

При отсутствии мерного цилиндра большого объема для определения вытесненной воды берут любой цилиндрический сосуд (металлический), пробивают гвоздем на расстоянии 5—6 см от верха отверстие в его стенке и вставляют в это отверстие трубочку, которую можно сделать из свернутой пленки. Такую трубочку желательно укрепить с помощью пластилина Если таким объемомером пользуются часто, трубочку делают из стали или латуни и припаивают ее к цилиндру [7, 9]. Схема такого объемомера показана па рис. 2. При определении объема образца неправильной формы можно обойтись без мерной посуды. В этом случае применяют гидростатическое взвешивание, основанное на законе Архимеда [7] (ем. схему на рис. 3).

Объем образца камня, см³, определяют как разность масс камня в воздухе и в воде, отнесенную к плотности воды, т. е. к 1; вычисления производят по формуле

где V — объем образца, см³, G₁ — масса образца на воздухе, г; G₂ — масса образца в воде, г; ?_в — плотность воды г/см³ (?_в = 1).

3. Водопоглощение

Для определения стандартного водопоглощеиия материал из сыщают водой в течение 24 ч. Однако в полевых условиях такой метод достаточно длителен, поэтому целесообразнее пользоваться ускоренным (упрощенным) методом определения влажности Наш опыт показывает, что о водопоглощенин породы можно судить по быстроте впитывания ею капли воды или чернил (чернила можно не капать, а провести жирную черту). Определения по этому методу показаны на рис. 4. Камин, предназначенные для использования в качестве щебня в высокопрочных бетонах, для дорожных покрытий, цоколей зданий, кладки фундаментов и т. п., почти не впитывают воду (рис. 4. а). В случае растекания капли по схеме рис 4.6, камень может использоваться для бетонов средних марок, неответственных дорожных покрытий, фундаментов малоэтажных зданий и т. п. Порода, на образце которой капля или черта быстро расплывается (быстро впитывается — см. рис. 4,в), годится только на подготовку под полы, отмостку и т. п.

При определении водопоглощеиия следует обращать внимание на запах влажного образца: если при большом водопоглощении образцы издают запах глины, они являются слабыми. С помощью подкрашенной воды (раствора марганцовокислого калия) можно определить слоистость и трещиноватость породы, если она не определяется визуально. Однако для этого необходимо выдерживать образцы камня в такой воде не менее 1 сут [8]. Водопоглощение — указатель степени выветрелости и морозостойкости породы.

4. Морозостойкость

О морозостойкости породы можно судить по внешнему виду и по ее водопоглощению Чем тверже порода и чем больше она содержит кварца, кремния и других твердых минералов тем она более устойчива к атмосферным и температурным воздействиям. Повышенное содержание слюды говорит о недостаточной морозостойкости каменной породы. Нежелательно с точки зрения морозостойкости присутствие в породе пирита серного или железного колчедана. Его кристаллы имеют кубическую форму и латунно-желтый цвет. При воздействии соляной кислоты пирит выделяет сероводород.

Внешние признаки, характеризующие пониженную морозостойкость: наличие трещин с равными, зазубренными краями; неоднородное крупнозернистое строение, наличие бурых пятен на поверхности (характерно для таких пород, как диориты, габбро и базальты), несвежий излом и тусклый блеск кристаллов на образцах; поверхностное шелушение, расслаивание и наличие рыхлых включений (характерно для известняков). В карьерах выветрелость всех горных пород характеризуется мощностью слоя щебня, полученного естественным путем: чем слой меньше, тем свежее порода и тем выше ее морозостойкость.

Высокое водопоглощение (более 5—6%) также указывает на пониженную морозостойкость из-за наличия трещин в городе. О морозостойкости можно судить и по прочности камня. Косвенно о морозостойкости можно судить но результатам высушивания на электрической плитке или на солнце насыщенного водой камня: если при этом он растрескается, то порода неустойчива к атмосферным воздействиям, т. е. она неморозостойка.

При необходимости ускоренного определения морозостойкости породы поступают следующим образом. Берут примерно 10 кусков породы массой около 100 г каждый, помещают их на 1 сут в насыщенный раствор сернокислого натрия, после чего вынимают и сушат примерно 4 ч при 100—110°С, затем охлаждают до комнатной температуры и вновь погружают в раствор сернокислого натрия на 4 ч. Такой цикл насыщения и высушивания повторяют пять раз. После этого образцы промывают водой, высушивают и осматривают. Если видимых повреждений не обнаружено, то породу можно считать морозостойкой. При этом пять циклов таких испытаний принято приравнивать к 25 циклам стандартных испытаний [8]. Для получения насыщенного раствора сернокислого натрия берут 300 г безводного сернокислого натрия, растворяют его в 1 л подогретой воды, охлаждают полученный раствор до комнатной температуры и дают отстояться в течение 2 сут.

5. Прочность

Прочность — один из основных показателей качества природных каменных материалов. Большой прочностью (100—350 МПа) обладают изверженные породы — граниты, диабазы, базальты; меньшей прочностью (100—200 МПа) обладают осадочные породы — известняки, доломиты, песчаники, кварциты и др.

Один из показателей прочности камня — твердость. В полевых условиях ее определяют по шкале Мооса (см. табл. 1). В том случае, когда минералы этой шкалы отсутствуют, можно воспользоваться стальной иглой, которой чертят (царапают) породу. Твердость такой иглы принимают около 5 по шкале. На минералах твердостью выше 5 игла не оставляет следа, при твердости ниже 4 она оставляет рваную черту с зазубренными краями, а на минералах с твердостью ниже 3 стальная игла оставляет ровную глубокую черту. Горные породы, твердость которых 5 и выше, достаточно прочны и допускаются в строительстве. Породы с твердостью 3 и ниже без стандартных испытаний применять в строительстве не разрешается.

О прочности каменной породы можно судить по ее раскалыванию под ударом молотка или кувалды. Для пробы на прочность образец камня около 200 см³ (приблизительно к 6x6x6 см) одним-двумя ударами молотка или кувалды раскалывают в щебенку. Прочный камень расколется на 2—3 куска, а непрочный или выветрелый — на много мелких кусочков. При расколе песчаников замечают связь зерен с цементирующим веществом: если связь прочная, раскол происходит по зернам и цементу, а если нет — то разрушается цемент, в то время как зерна остаются целыми [9].

Прочность камерной породы при ударе молотком можно определить и по звуку. Для этого кусок породы кладут на ладонь и по нему наносят не очень сильный удар молотком. Плотный и прочный камень дает ощущение упругого удара и издает звонким звук, причем после удара молоток от камня отскакивает. Неплотный, трещиноватый и непрочный камень при ударе издаст глухой звук.

Водопоглощение также может характеризовать прочность камня. Если образец каменной породы имеет большое водопоглощение и это поглощение происходит быстро (см. выше), это значит, что структура образца нарушена и порода имеет повышенную пористость. Существует определенная связь между водопоглощением и прочностью природных каменных материалов. Для гранитов и известняков она дана в табл. 3.

Средняя плотность в некоторых случаях также может быть связана с прочностью. Так, прочность известняков повышается с увеличением их плотности [8]. Пользуясь данными табл. 4, можно ориентировочно определить предел прочности па сжатие разных известняков.

Наиболее достоверно определяют прочность природных каменных материалов по сумме испытаний: пробами иглой, каплей воды или чернил и по удару молотком в сочетании с внешним осмотром. Полученные данные сверяют с данными табл. 2 и производят таким образом оценку горной породы.

Примечания

1. Здесь и далее вместо объемной массы употребляется рекомендованный комиссией СЭВ термин «средняя плотность» (кроме оговоренных специально случаев).