Общая классификация природно-каменных материалов

Природно-каменные материалы классифицируются:

По способу обработки и форме природного камня

- необработанные;

- грубообработанные;

- неправильной формы.

По способу разрушения камня:

- получают путем взрыва (рваный бут);

- раскалывание без обработки;

- пиленные, дробленные, молотые.

По характеру обработки поверхности:

- бугристый скол;

- рифленая поверхность;

- бороздчатая поверхность.

По характеру обработки поверхности абразивом:

- пиленая;

- шлифованая;

- шероховатая.

По пределу прочности на сжатие каменные материалы подразделяются на марки (Па 10⁵):

1000, 800, 600, 500, 400, 300, 200, 150, 100 – для тяжелых пород;

150, 100, 75, 50, 35 – для легких пород;

50, 35, 25, 15, 10, 7 – для ракушечника, применяемого при кладке стен.

По морозостойкостикаменные материалы подразделяются на марки: Мрз 10, 15, 25, 50, 100, 150, 200, 300 и 500.

1.2. Свойства природных каменных материалов

Свойства природных каменных материалов определяются, в первую очередь, свойствами той горной породы, из которой их получают. Качество горной породы зависит от происхождения (генезиса), минералогического состава, строения (структуры), сложения (текстуры) и степени выветривания. Обширное разнообразие структур и текстур горных пород вызывает такое же разнообразие строительно-технических свойств каменных материалов. Изучение этих свойств имеет важное значение при оценке горной породы как сырья для получения каменных материалов, а также и для определения качества самих каменных материалов и степени их пригодности для строительства.

Качество горных пород и каменных материалов из них, применяемых в дорожном и мостовом строительстве, определяется путем изучения:

- физических свойств горной породы, которые характеризуют её строение или отношение к физическим процессам окру­жающей среды. К физическим свойствам относят массу, истинную и среднюю плотность, пористость, водопоглащение, водоотдачу, влажность, гигроскопичность, водопроницаемость, морозостойкость, воздухо-, паро-, газопроницаемость, теплопроводность и теплоемкость, огнестойкость и огнеупорность;

- механических свойств, характеризующих способность горной породы сопротивляться разрушающему или дефор­мирующему воздействию внешних сил. К механическим свойствам относят прочность, упругость, пластичность, хрупкость, сопротивление удару, твердость, истираемость, износ;

- химических свойств характеризующих способность ма­териала к химическим превращениям под воздействием веществ, с которыми он находится в соприкосновении. Химические свойства горной породы весьма разнообразны, основные из них – химическая и коррозионная стойкость.

Физические свойства

Масса – совокупность материальных частиц (атомов, молекул, ионов), содержащихся в данном теле. Масса обладает определенным объемом, т. е. занимает часть пространства. Она постоянна для данного вещества и не зависит от скорости его движения и положения в прост­ранстве. Тела одинакового объема, состоящие из различ­ных веществ, имеют неодинаковую массу. Для характе­ристики различий в массе веществ, имеющих одинаковый объем, введено понятие плотности, последняя подразде­ляется на истинную и среднюю.

Истинная плотность – отношение массы к объему материала в абсолют

но плотном состоянии, т. е. без пор и пустот. Чтобы определить истинную плотность р (кг/м³, г/см³), необходимо массу материала (образца) т (кг, г) разделить на абсолютный объем Va (м³,см³)» занимае­мый самим материалом
(без пор).

Зачастую истинную плотность материала относят к истинной плотности воды при 4° С, которая равна 1 г/см³, тогда определяемая истинная плотность становится как бы безразмерной величиной.

Средняя плотность – физическая величина, определя­емая отношением массы образца материала ко всему за­нимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты. Среднюю плотность r_m(кг/м³, г/см³) вычис­ляют по формуле:

где m – масса материала в естественном состоянии, кг или г; V – объем материала в естественном состоянии, м³ или см³.

Средняя плотность не является величиной постоянной и изменяется в зависимости от пористости материала. Искусственные материалы можно получать с необходи­мой средней плотностью, например, меняя пористость, по­лучают бетон тяжелый со средней плотностью 1800—2500 кг/м³ или легкий со средней плотностью 500—1800 кг/м³.

На величину средней плотности влияет влажность ма­териала: чем выше влажность, тем больше средняя плот­ность. Среднюю плотность материалов необходимо знать для расчета их пористости, теплопроводности, теплоем­кости, прочности конструкций (с учетом собственной массы) и подсчета стоимости перевозок материалов.

Пористостью материала называют степень заполне­ния его объема порами. Пористость П дополняет плот­ность до 1 или до 100 % и определяется по формулам:

Пористость различных строительных материалов ко­леблется в значительных пределах и составляет для кир­пича 25—35 %, тяжелого бетона 5—10, газобетона 55 – 85 пенопласта 95 %, пористость стекла и металла равна нулю. Большое влияние на свойства материала оказыва­ет не только величина пористости, но и размер, и харак­тер пор: мелкие (до 0,1 мм) или крупные (от 0,1 до 2мм), замкнутые или сообщающиеся. Мелкие замкнутые поры, равномерно распределенные по всему объему материала, придают материалу теплоизоляционные свойства.

Плотность и пористость в значительной степени опре­деляют такие свойства материалов, как водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость, прочность, тепло­проводность и др.

Водопоглощение – способность материала впитывать воду и удерживать ее. Величина водопоглощения опреде­ляется разностью массы образца в насыщенном водой и абсолютно сухом состояниях. Различают объемное водо­поглощение Wv, когда указанная разность отнесена к объему образца, и массовое водопоглощение Wm, когда эта разность отнесена к массе сухого образца.

Водопоглощение по объему и по массе выражают в процентах и вычисляют по формулам:

где т₁, – масса образца, насыщенного водой, г; т—масса сухого образца, г;
V – объем образца в естественном состоянии, см³.

Насыщение материалов водой отрицательно влияет на их основные свойства: увеличивает среднюю плот­ность и теплопроводность, понижает прочность.

Степень снижения прочности материала при предель­ном его водонасыщении, т. е. состоянии полного насы­щения материала водой, называется

водостойкостьюи характеризуется значением коэффициента размягчения
Кразм.

где R_нас – предел прочности при сжатии материала в насыщенном водой состоянии, МПа; R_сух – то же, сухого материала.

Влажность материала определяется содержанием вла­ги, отнесенным к массе материала в сухом состоянии. Влажность материала зависит как от свойств самого ма­териала (пористости, гигроскопичности), так и от окру­жающей его среды (влажность воздуха, наличие контак­та с водой).

Влагоотдача – свойство материала отдавать влагу окружающему воздуху, характеризуемое количеством во­ды (в процентах по массе или объему стандартного об­разца), теряемой материалом в сутки при относительной влажности окружающего воздуха 60 % и температуре 20°С.

Величина влагоотдачи имеет большое значение для многих материалов и изделий, например стеновых пане­лей и блоков, мокрой штукатурки стен, которые в про­цессе возведения здания обычно имеют повышенную влажность, а в обычных условиях благодаря влагоотдаче высыхают: вода испаряется до тех пор, пока не устано­вится равновесие между влажностью материала стен и влажностью окружающего воздуха, т. е. пока материал не достигнет воздушно-сухого состояния.

Гигроскопичностьюназывают свойство пористых ма­териалов поглощать определенное количество воды при повышении влажности окружающего воздуха. Древесина и некоторые теплоизоляционные материалы вследствие гигроскопичности могут поглощать большое количество воды, при этом увеличивается их масса, снижается проч­ность, изменяются размеры.

Водопроницаемость – свойство материала пропускать воду под давлением. Величина водопроницаемости ха­рактеризуется количеством воды, прошедшей в течение 1 ч через 1 см² площади испытуемого материала при по­стоянном давлении.

Морозостойкость – свойство насыщенного водой ма­териала выдерживать многократное попеременное за­мораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения прочности.

Замерзание воды, заполняющей поры материала, со­провождается увеличением ее объема примерно на 9%. в результате чего возникает давление на стенки пор, при­водящее к разрушению материала. Однако во многих по­ристых материалах вода не может заполнить более 90 % объема доступных пор, поэтому образующийся при за­мерзании воды лед имеет свободное пространство для расширения. Разрушение материала наступает только после многократного попеременного замораживания и оттаивания.

Паро- и газопроницаемость – свойство материала пропускать через свою толщу под давлением водяной пар или газы (воздух). Все пористые материалы при наличии незамкнутых пор способны пропускать пар или газ.

Паро- и газопроницаемость материала характеризу­ется соответственно коэффициентом паро- или газопро­ницаемости, который определяется количеством пара или газа в л, проходящего через слой материала толщиной 1 м и
площадью 1 м² в течение 1 ч при разности парци­альных давлений на противоположных стенках 133,3 Па.

Знать теплопроводность материала необходимо при теплотехническом расчете толщины стен и перекрытий отапливаемых зданий, а также при определении требуе­мой толщины тепловой изоляции горячих поверхностей, например трубопроводов, заводских печей и т. д.

Теплоемкость – свойство материала поглощать при нагревании определенное количество теплоты и выделять ее при охлаждении,

Теплоемкость материалов учитывают при расчетах теплоустойчивости стен и перекрытий отапливаемых зда­ний, подогрева составляющих бетона и раствора для зим­них работ, а также при расчете печей.

Огнестойкость – способность материала противосто­ять действию высоких температур и воды в условиях пожара. По степени огнестойкости строительные матери­алы делят на несгораемые, трудно сгораемые и сгора­емые.

Несгораемые материалы под действием огня или вы­сокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. Сгорае­мые материалы под воздействием огня или высокой тем­пературы воспламеняются и продолжают гореть после удаления источника огня.

Огнеупорностью называют свойство материала вы­держивать длительное воздействие высокой температуры, не расплавляясь и не деформируясь. По степени огнеупорности материалы делят на огнеупорные, тугоплавкие и легкоплавкие.

Огнеупорные материалы способны выдерживать про­должительное воздействие температуры свыше 1580°С. Их применяют для внутренней облицовки промышленных печей (шамотный кирпич). Тугоплавкие материалы вы­держивают температуру от 1350 до 1580°С (гжельский кирпич для кладки печей). Легкоплавкие материалы раз­мягчаются при температуре ниже 1350 °С (обыкновенный глиняный кирпич).

Теплопроводность – свойство материала передавать через толщу теплоту при наличии разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Теплопро­водность материала оценивается количеством теплоты, проходящей через стену из испытуемого материала тол­щиной 1 м, площадью 1 м² за 1 ч при разности темпера­тур противоположных поверхностей стены 1 °С. Теплопро­водность измеряется в Вт/(м×К) или Вт/(м×°С).

Теплопроводность материала зависит от многих фак­торов: природы материала, его строения, пористости, влажности, а также от средней температуры, при которой происходит передача теплоты. Материал кристалличес­кого строения обычно более теплопроводен, чем мате­риал аморфного строения. На теплопроводность материала в значительной мере влияют величина пористости, размер и характер пор. Мелкопористые материалы менее теплопроводны, чем крупнопористые, даже если их пористость одинакова. Материалы с замкнутыми порами имеют меньшую тепло­проводность, чем материалы с сообщающимися порами. Теплопроводность однородного материала зависит от величины его средней плотности. Так, с уменьшением плотности материала теплопроводность уменьшается и наоборот. Теплопроводность в воздушно-сухом состоя­нии тяжелого бетона 1,3 – 1,6, керамического кирпича 0,8 – 0,9, минеральной ваты 0,06 – 0,09 Вт/(м×°С).

Механические свойства

Прочность – свойство материала сопротивляться раз­рушению под действием внутренних напряжений, возни­кающих от внешних нагрузок. Под воздействием различ­ных нагрузок материалы в зданиях и сооружениях ис­пытывают различные внутренние напряжения (сжатие, растяжение, изгиб, срез и др.). Прочность является ос­новным свойством большинства строительных материа­лов, от ее значения зависит величина нагрузки, которую может воспринимать данный элемент при заданном се­чении.

Прочность строительных материалов обычно харак­теризуют маркой, которая соответствует по величине пределу прочности при сжатии, полученному при испытаниях.

Хрупкость – свойство материала мгновенно разру­шаться под действием внешних сил без предварительной деформации. К хрупким материалам относят природные камни.

Сопротивлением удару называют свойство материала сопротивляться разрушению под действием ударных на­грузок. В процессе эксплуатации зданий и сооружений материалы в некоторых конструкциях подвергаются ди­намическим (ударным) нагрузкам, например в фунда­ментах кузнечных молотов, бункерах, дорожных покры­тиях. Плохо сопротивляются ударным нагрузкам хруп­кие материалы.

Твердость – свойство материала сопротивляться про­никанию в него другого материала, более твердого. Это свойство имеет большое значение для материалов, ис­пользуемых в полах и дорожных покрытиях. Кроме того, твердость материала влияет на трудоемкость его обра­ботки.

Существует несколько способов определения твердо­сти материалов. Твердость природных каменных материалов определяют по шкале твердости (метод Мооса), в которой десять специально подобран­ных минералов расположены в такой последовательнос­ти, когда следующий по порядку минерал оставляет чер­ту (царапину), на предыдущем, а сам им не прочерчива­ется (таблица 1.2). Например, если испытуемый материал чертится апатитом, а сам оставляет черту (царапину) на плавиковом шпате, то его твердость соответствует 4,5.

Истираемость – свойство материала изменяться в объеме и массе под воздействием истирающих усилий. От истираемости зависит возможность применения ма­териала для устройства полов, ступеней, лестниц, тротуаров и дорог. Истнраемость материалов определяют в лабораториях на специальных машинах – кругах исти­рания.

Износом называют разрушение материала при сов­местном действии истирания и удара.

Упругость – свойство материала деформироваться под нагрузкой и принимать после снятия нагрузки перво­начальные форму и размеры. Наибольшее напряжение, при котором материал еще обладает упругостью, назы­вается пределом упругости. Упругость является положи­тельным свойством строительных материалов. В качест­ве примера упругих материалов можно назвать резину, сталь, древесину.

Пластичность – способность материала изменять под нагрузкой форму и размеры без образования разрывов и трещин и сохранять изменившиеся форму и размеры после удаления нагрузки. Это свойство противоположно упругости.

Таблица 1.2.Шкала твердости минералов

Показатель твёрдости	Минерал	Характеристика твёрдости
	Тальк или мел	Легко чертится ногтем
	Каменная соль или гипс	Ноготь оставляет черту
	Кальцит или ангидрид	Легко чертится стальным ножом
	Плавиковый шпат	Чертится стальным ножом под не­ большим давлением
	Апатит	Чертится стальным ножом при сильном нажатии стекло не чертит
	Ортоклаз (полевой шпат)	Слегка царапает стекло, стальной нож черты не оставляет

Продолжение табл. 1.2

	Кварц	Легко чертит стекло, стальной нож черты не оставляет
	Топаз
	Корунд
	Алмаз

Химические свойства

Химическая стойкость – способность материалов про­тивостоять разрушающему влиянию щелочей, кислот, растворенных в воде солей и газов.

Коррозионная стойкость – свойство материалов со­противляться коррозионному воздействию среды.

Многие строительные материалы не обладают этими свойствами. Так, почти все цементы плохо сопротивля­ются действию кислот, битумы сравнительно быстро раз­рушаются под действием концентрированных растворов щелочей, древесина не стойка к действию тех и других. Лучше сопротивляются действию кислот и щелочей не­которые виды природных каменных материалов (диабаз, андезит, базальт), плотная керамика, а также большин­ство материалов из пластмасс.