физические свойства
Влагоотдача (водоотдача) – свойство горной породы или почвы терять (отдавать) находящуюся в его пустотах, полостях и порах влагу. Из горной породы вода свободно истекает под действием силы тяжести. Она напрямую зависит от пористости (наличия капиллярных пор) и скважности (присутствие капиллярных пустот) в породе.
Водопроницаемость – это способность породы пропускать через себя воду. По этому показателю выделяют водопроницаемые породы: песок, галька, гравий и др. и водонепроницаемые: глина, глинистый сланец нетрещиноватый гранит и др.
Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать в своих порах влагу. Водопоглощение определяют по массе или объему и выражают в процентах удержанной воды. Водопоглощение по объему всегда меньше 100%, а по массе может быть более 100% (теплоизоляционные материалы способны поглощать значительно больше воды, чем их масса).
Гигроскопичность – это свойство материалов поглощать влагу из воздуха. Гигроскопичные материалы могут поглощать большое количество воды, при этом увеличивается их масса, снижается прочность, изменяются размеры. Из-за этого гигроскопичные материалы должны храниться в запечатанной таре. Гигоскопичными являются многие пористые стеновые материалы: газобетон, пенобетон, керамзитобетон, известняк.
Морозостойкость – свойство материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения и без снижения прочности и массы. Главная проблема заключается в том, что жидкая вода заполняет трещины и поры в горной породе или строительных материалах замерзает (например зимой в оттепель, веской и осенью при переходе температуры через 0°С). Образовавшийся лёд имеет больший объем чем вода, поэтому он разрушает породу.
В строительстве это свойство особенно важно учитывать для материалов, используемых для фундаментов, стен, кровли и др., подвергающихся попеременному замораживанию и оттаиванию. Они должны иметь повышенную морозостойкость. Высокой морозостойкостью характеризуются плотные материалы, не имеющие пор, или материалы с незначительной открытой пористостью, водопоглощение которых не превышает 0,5%.
Плотность горной породы определяется отношением массы к занимаемому объему, включая имеющиеся в ней пустоты, полости и поры. Выражается эта величина в кг/м3. Например, плотность гранита в среднем 2600 кг/м3, гранодиоритов 2650 кг/м3, габбро 2900 кг/м3, гипса 2300 кг/м3, каменной соли 2100-2200 кг/м3 и т.д. Наибольшие значения плотности до 5000 кг/м3, характерны для магматических, изверженных вулканами пород, наименьшие – 1200 кг/м3, для осадочных пород.
Различают истинную и насыпную плотность. Истинная плотность – это предел отношения массы к объему, когда объем стягивается к точке, в которой определяется плотность тела или вещества без учета имеющихся в них пустот и пор. Насыпная – это отношение массы зернистых материалов ко всему занимаемому или объему, включая пространства между частицами.
Пористость – это степень заполнения объема материала пустотами (порами), выражается в процентах. Или совокупность пустот (пор), заключённых в горных породах.
Теплопроводность – свойство материала передавать тепло при наличии разности температур с одной и другой сторон. Теплопроводность строительного материала оценивается количеством теплоты в джоулях (Дж) Снижение теплопроводности стен, крыш и других элементов жилых и производственных помещений, важная техническая задача.
Теплоёмкость – свойство материала поглощать при нагревании определенное количество теплоты и выделять ее при охлаждении. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость.
Водные свойства горных пород
Влагоемкость —это свойство породы содержать в своих порах то или иное количество воды.
Полная влагоемкость — количество воды, заполняющее все пустоты породы.
Фактическая влагоемкость определяется количеством воды, действительно содержащимся в породе.
Капиллярная влагоемкость составляет количество воды, удерживаемое горной породой в капиллярах при свободном стоке. Капиллярная влагоемкость тем меньше, чем больше водопроницаемость породы.
Под водоотдачей понимается количество гравитационной воды, которое может содержаться в горной породе и которое она может отдать при откачке. Водоотдача может быть выражена процентным № отношением объема свободно вытекающей из породы воды к объему породы.
Водонасыщенность пород представляет то количество воды, которое отдается породой. По степени водообильности породы делятся на сильноводообнльные с дебитом скважины больше 10 л/с, водо-обильные с дебитом скважины 1 - 10 л/с, слабоводообильные — 0,1 - 1л/с.
Водонасосные породы, а также пласты, линзы и пр.— это такие, в которых поры, трещины и другие пустоты заполнены гравитационными водами — гравитационно-водоносными, водами капиллярными и пленочными водоносными.
Водопроницаемость — свойство пород пропускать воду вследст¬вие наличия в них пор, трещин и других пустот. Величина водопроницаемости определяется коэффициентом водопроницаемости. По степени водопроницаемости породы могут быть разделены на водопроницаемые, полуводопроницаемые и водонепроницаемые.
Водонепроницаемость — свойство горных пород не пропускать воду. К ним относятся, например, нетрещиноватые известняки, кристаллические сланцы и др.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА — характеризуют изменения формы, размеров и сплошности горных пород под воздействием механических нагрузок, которые создаются в результате действия естественных (горное давление, тектонические движения) или искусственных факторов (взрывные работы, резание, дробление пород и т.д.).
Механическое нагружение вызывает в горных породах напряжения и деформации. По виду деформаций и связи с вызвавшими их напряжениями механические свойства подразделяют на упругие (модуль Юнга, коэффициент Пуассона и др.), пластические (модуль полной деформации, коэффициент пластичности и др.), прочностные (пределы прочности горных пород при сжатии, растяжении и др.) и реологические свойства (период релаксации, предел длительной прочности и др.). К показателям механических свойств относят также характеристики воздействия на горные породы жидкостей и газов (например, коэффициент размокания), горнотехнологические параметры горные породы (показатели крепости, твёрдости, буримости, взрываемости, дробимости и др.).
Механические свойства определяют прямыми или косвенными измерениями напряжений и деформаций в горных породах в процессе их различного нагружения. В массиве чаще используют косвенные методы оценки механических свойств — по глубине и усилиям проникновения острого инструмента в горных породах, по зависимости между скоростью упругих волн и механическими свойствами.
На величину показателей механических свойств влияют анизотропия горной породы, силы и характер связей между частицами, ориентация ослабленных зон и слоев горной породы, размер зёрен, пористость, минеральный состав. Это предопределяет широкую вариацию показателей механических свойств от точки к точке в массиве (рис.).
Более монолитные скальные горные породы имеют высокие значения модуля Юнга, прочностных параметров, низкие значения показателей пластичности. Осадочные горные породы, как правило, обладают более низкой прочностью и упругими свойствами, повышенными значениями показателей пластичности, хорошо выраженными реологическими свойствами.
Любые изменения состояния горной породы и её структурных характеристик влияют на величину механических свойств. Увеличение влажности снижает упругие и прочностные, но повышает пластические параметры пород; трещиноватость и высокая пористость пород снижают прочностные и упругие параметры пород. Разрушенная горная порода также способна сопротивляться в определённой степени внешним нагрузкам. Например, несущую способность разрушенных горных пород оценивают особыми механическими свойствами — параметрами запредельного деформирования и прочности, определяемыми на специальных жёстких испытательных прессах.
Механические свойства предопределяют результат практически любого механического воздействия на горные породы, возникающего в процессах эксплуатации месторождения и переработки полезных ископаемых. Знание показателей механических свойств необходимо также для расчётов горного давления, выбора методов и средств поддержания горных выработок, расчётов размеров целиков и т.д., а также при расчётах всех немеханических способов разрушения и упрочнения горных пород. При сочетании высокой прочности и упругости горных пород применяют динамические способы разрушения, при пластичности и малой прочности — статическое нагружение пород при разрушении. Наиболее трудно поддаются разрушению горные породы, обладающие высокой прочностью и пластичностью одновременно. При этом целесообразно использование комбинированного воздействия на горные породы (например, термомеханического).
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА — совокупность свойств, определяющих способность горных пород изменять во времени напряжённо-деформированное состояние в поле действия механических сил. К основным реологическим свойствам относятся:упругость, пластичность, прочность, вязкость, ползучесть, релаксация напряжений.
Реологические свойства характеризуют изменение (рост) во времени деформаций в горных породах при постоянном напряжении (явление ползучести) либо изменение (падение) напряжений при постоянной деформации (явление релаксации). Ползучесть и релаксация напряжений связаны с переходом упругих деформаций в пластические, необратимые.
Сложное реологическое поведение горных пород можно изучать экспериментально и теоретически. Экспериментально реологические свойства определяются испытанием горных пород или при постоянной нагрузке (простая ползучесть), или при постоянной деформации. Наибольшее распространение получили испытания при постоянной нагрузке, что связано со значительной простотой эксперимента по сравнению с испытаниями на релаксацию напряжений. Теоретический метод исследования заключается в установлении зависимости между действующими на горные породы напряжениями, вызываемыми деформациями, и их изменениями во времени.
Проявление реологических свойств в значительной мере зависит от типа породы, влажности, трещиноватости, температуры, но решающим является уровень напряжённого состояния. Реологические свойства и их параметры широко используются при исследовании механических процессов в массиве горных пород, в расчётах при оценке прочности иустойчивости горных выработок, бортов карьеров, скважин, целиков, горнотехнических сооружений и др.
