ЗАКОНОМЕРНОСТИ СВОЙСТВ ПРИРОДНОГО КАМНЯ

Все минералы и горные породы обладают определенными зави­симостями их свойств от состава и структуры. Но эти частные зави­симости исходят из некоторых обобщенных, когда одна из них ока­зывается общей для многочисленных разновидностей природного камня. Подобная общая зависимость становится закономерностью и может иметь большое практическое значение при выборе камня для строительных целей.

Выше отмечалось, что по составу породы могут быть моно- и полиминеральными. Качественные характеристики первых опреде­ляются свойствами их породообразующего минерала, формой и раз­мером его частиц, дефектами структуры, типом химической связи между частицами, макро- и микропористостью и т. п. Кварцитам, например, передаются свойства их породообразующего компонента кварца: высокие твердость, плотность и механическая прочность; малые деформативность (хрупкость), раковистость излома, высокая стойкость к химическому выветриванию и др. На физико-механиче­ских свойствах известняков отражаются характерные особенности породообразующего кальцита: сравнительно легкая растворимость в воде, низкая твердость и совершенная спайность, с которыми свя­зана пониженная прочность этих пород. Такое влияние свойств кальцита отражается также на свойствах мраморов, являющихся метаморфизованными разновидностями известняков. И хотя высокие температура и давление несколько уменьшают влияние кальцита как породообразующего компонента, его физико-химические свой­ства и кристаллохимические особенности играют определяющую роль в процессе формирования структуры и свойств мраморов. Но особенно отчетливо прослеживается негативное влияние совершен­ной спайности кальцита на прочность крупнокристаллических раз­новидностей карбонатных пород химического генезиса. Снижение их прочности при механическом воздействии объясняется прежде всего разрушением частиц кальцита по плоскостям спайности, а также по границам их контакта друг с другом.

В отношении известняков, осадочных мономинеральных пород, отчетливо прослеживается следующая закономерность: у малопори­стых их разновидностей значения показателей прочности, плотно­сти, упругости и некоторых других свойств приближаются к величи­нам показателей тех же свойств их породообразующего минерала кальцита. Эта же закономерность справедлива для кварцитов и мра­моров — пород метаморфического генезиса, несмотря на то, что в условиях метаморфизации могут нарушаться структура и свойства не только исходной породы, но и ее породообразующего минерала (принцип Ле-Шателье), даже при неизменном химическом составе, т. е. в случае изохимической перекристаллизации.

С увеличением пористости, а также с появлением неплотностей в контактах и некоторых других структурных дефектов, неизбежно возникающих при формировании мономинеральных пород, их упругие и прочностные свойства интенсивно снижаются.

Аналогичные явления происходят в полиминеральных породах, когда превалирующий количественно породообразующий минерал оказывает наиболее заметное влияние на формирование определен­ных свойств породы. У магматических пород, например гранитов, с увеличением содержания кварца, имеющего очень высокий предел прочности при сжатии (около 2000 МПа), повышается механическая прочность. Наоборот, увеличение количества полевых шпатов и слюды в этих породах снижает их прочность, обычно составляю­щую до 200 МПа для мелкозернистых и до 120—140 МПа для круп­нозернистых их разновидностей. Это происходит вследствие того, что полевой шпат не отличается высоким пределом прочности при сжатии, аналогично кварцу (всего около 170 МПа), а слюда с прису­щей ей высокой спайностью и способностью образовывать плоскости скольжения способствует механическому разрушению гранита с появлением внутренних скалывающих напряжений. При небольшом количестве слюды или полной ее замене роговой обманкой гранит приобретает повышенные вязкость и прочность (в том числе и на ударную нагрузку). С повышением пористости у выветрелых и одресвелых гранитов их прочность быстро снижается, достигая 80—60 МПа и ниже. Аналогичное влияние увеличения пористости обнаруживается на показателях модуля упругости: при возрастании пористости в 5 раз, т. е. с 0,6 до 3,0%, значение этого показателя у крупнозернистого гранита понижается с 6,0∙10⁴ до 1,6∙10⁴ МПа и вместе с тем в связи с необратимым расшатыванием его структуры одновременно отмечается повышение остаточной деформации.

Многие осадочные породы также являются полиминеральными агрегатами, часто состоящими из неодинаковых по размеру обломков минералов и горных пород. Свойства этих сложных пород (брекчий, конгломератов и др.) обусловливаются как свойствами самих облом­ков, так и особенно свойствами природного вяжущего вещества, вы­полняющего роль матричного компонента моно- или полиминераль­ного состава. Природные цементы могут быть аморфными или крис­таллическими. Наиболее прочные — кварцевый, кремнистый и опало­вый мономинеральные равномерно-зернистые цементы. Значительно уступают им по прочности разнозернистые полимиктовые цементы, состоящие из минеральных зерен различного химического состава с неодинаковыми размерами частиц. Наименьшей цементирующей способностью отличаются глинистые и растворимые соединения (гли­ны, гипсы и др.). Эту группу пород можно по аналогии сравнивать с ис­кусственными строительными конгломератами (например, с бетона­ми), формирование структуры которых происходит под влиянием вя­жущих веществ в заводских условиях.

Выше отмечалось, что на прочность и другие качественные показа­тели горных пород существенное влияние оказывает пористость. В по­родах она может быть очень грубой (туфы), крупной (ракушечники), мелкой и тончайшей, незаметной даже под микроскопом (диатоми­ты). В породах различают первичную пористость, обычно закрытую, и тонкодисперсную, зависящую от характера упаковки, формы и раз­мера частиц, их взаимного расположения, величины того перво­начального давления, которое испытывали породы в процессе формирования структуры. Пористость может быть также вторичной и чаще всего открытой, возникшей на более поздних стадиях отвердева­ния породы или осадка, при растворении или замещении в них отдель­ных минералов, особенно в результате последующего выветривания. Вторичные поры всегда имеют более устойчивые и сохранившиеся размеры, так как, возникая в уже затвердевшей массе, они в меньшей степени подвержены последующему спрессовыванию или заполнению новыми минеральными веществами.

Являясь важным структурным элементом, поры вместе с минера­льными частицами непосредственно и активно участвуют в форми­ровании свойств горных пород. Б.П. Беликовым и другими были выполнены исследования упругих характеристик многих горных по­род общим импульсным ультразвуковым методом. Изучались как изотропные моно- и полиминеральные, так и анизотропные породы с определением модуля Юнга Е, модуля сдвига С, модуля объемно­го сжатия К, скорости распространения продольной волны \_р и не­которых других параметров упругих свойств. Установлено, что при весьма малой пористости, например меньшей 1%, упругие свойства минералов и пород определяются в основном их минеральным со­ставом. С увеличением же пористости значения упругих и прочност­ных свойств снижаются в соответствии с эмпирическим уравнением

(8.1)

где через М и М_o обозначены любые из упругих свойств (параметров) камня с порами (М) и без пор или с их минимумом (М_o), а через т₁ и т₂ — величины вторичной и первичной пористости.

Общий характер влияния пористости на механические свойства пород и минералов можно выразить наглядно в виде графической за­висимости в системе координат «свойства =f(пористость)». График имеет вид сложной экстремальной кривой, состоящей из вершины и двух ниспадающих от нее ветвей (рис. 8.7). Вершина кривой соответст­вует наибольшим значениям параметров упругости, прочности, плотности минералов и пород, когда их пористость предельно мала (меньше 1%). На ветви, расположенной слева от вершины экстремаль­ной кривой, располагаются показатели свойств, которые снижаются по мере возрастания первичной пористости пород. Это снижение ха­рактеризуется сравнительно умеренной интенсивностью, вызывае­мой наличием закрытых мелких и тончайших по своим размерам пор, особенно у минералов. На абсолютные значения свойств кроме порис­тости влияют также характер внутренних связей между микро- и мак­рочастицами минерального вещества, свойства минералов и другие факторы, которые обусловливают, кроме того, сравнительно боль­шой разброс опытных данных, особенно при испытании интрузивных и метаморфических пород.

Рис. 8.7. Схема действия закона створа в горных породах и минералах

Справа от вершины экстремальной кривой размещается ветвь интенсивного спада упругих и прочностных свойств при увеличении вторичной (открытой) пористости с характерными для нее более крупными порами. Разброс опытных данных здесь меньше, чем в области левой ветви, и совсем незначителен на отрезке кривой, близкой к вершине. Аналогичное совпадение показателей свойств при изменении вторичной пористости отмечается и при испытании образцов из эффузивных и осадочных пород.

В мономинеральных породах на максимум величин показателей свойств влияет, как отмечалось, уровень соответствующих значений породообразующего минерала; в полиминеральных — некоторый усредненный их уровень, обусловленный минеральным составом, ко­личественным соотношением и характером связей минералов. А в обо­их случаях на величины экстремумов свойств влияют наличие пор и микропор, степень дефектности структуры и др. К экстремумам пока­зателей свойств горные породы и минералы приближаются в результа­те очень длительных процессов структурообразования с постепенным набором в природных условиях таких параметров, при которых воз­никает своеобразная оптимальная структура. Закономерное протека­ние этих процессов в природе может прерываться стихийными, в том числе тектоническими, осложняемыми вулканической деятельностью явлениями, которые могут резко изменять и даже прерывать процесс формирования структур и свойств пород как на ограниченных, так и на огромных участках земной коры. Нарушение закономерного про­цесса структурообразования возможно также под влиянием измене­ния климатических, географических условий и других факторов. В одном и том же месторождении могут встречаться представители по­род, разнородные по структуре и свойствам, причем только некото­рые участки пород в данном месторождении могут оказаться с оптимальной структурой и комплексом экстремальных значений свойств в вершине кривой. Породы других участков того же место­рождения, испытавшие влияние неблагоприятных факторов, отмечен­ных выше, не приобретают оптимальной структуры и не отличаются высокими показателями свойств (например, прочностных). Несмотря на то, что естественный процесс оптимизации структуры может неод­нократно прерываться, он постоянно и последовательно продолжается во времени, поскольку связан в конечном итоге с приближением ее к равновесному состоянию и нарастанию термодинамической устойчи­вости горных пород.

Зависимость свойств природного камня от состава и оптималь­ной структуры отражает объективно существующую закономер­ность, которую при обобщении многочисленных опытных данных можно выразить следующим образом: при определенном наборе структурных параметров формируется оптимальная структура при­родного камня, при которой имеется комплекс экстремумов механи­ческих и некоторых физических свойств, непосредственно связан­ных со структурой и отражающих ее характер. Действует и обратная связь: комплекс экстремумов свойств горной породы или минерала отражает наличие оптимальной структуры с характерны­ми для нее относительной однородностью, минимальной пористо­стью, минимумом других микро- и макроструктурных дефектов, с наиболее устойчивым равновесным состоянием внутренних связей, с минимумом внутренней свободной энергии, с мелкозернистой плот­ной кристалличностью или непрерывной пространственной сеткой (прослойкой) цементирующего вещества, с оптимальным содержа­нием стеклофазы и наличием других структурных параметров в со­ответствующем их наборе. Эти закономерности проявляются как в отношении твердых, так и упруговязкопластичных природных об­разований, к которым относятся глины, суглинки, лессы, мел, гип­сы, асфальтовые породы и др. Они служат основой тождественного закона створа, вскрытого в теории ИСК.

Наблюдается также другая закономерная связь между свойства­ми главного породообразующего минерала и свойствами породы со спадом показателей свойств по мере накопления дефектов структу­ры, которая является также обобщающей основой закона конгруэн­ции в теории ИСК (см. 3.2). Такая тождественность закономерного изменения свойств под влиянием структурных параметров у при­родного камня и ИСК возникает при сходных процессах, которые характерны как для природного генетического, так и заводского технологического периодов. В обоих этих случаях, при формирова­нии структур и свойств, прослеживается воздействие законов крис­таллизации из растворов и расплавов, закона эвтектики, правила фаз и др. Различие состоит только в том, что в короткие технологи­ческие периоды производства ИСК можно направленно регулиро­вать процессы структурообразования; избегая влияния элементов случайности и аномальных отклонений, которые возможны при формировании структур и свойств пород в природных условиях. Именно поэтому более отчетливо выразились закономерности створа, конгруэнции и др., известные в теории ИСК, базирующиеся на логически обобщенном и обширном практическом материале. В природе эти объективные закономерности проявляются наиболее полно и объективно, хотя вскрыть их сложнее, чем у ИСК.