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 мономинсральных пород, отчетливо прослеживается Вперед закономерность: у малоиористых 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 полиминераль- ного 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 G, 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
где через М и Мо обозначены любые из упругих свойств (параметров) камня с порами (Л/) и без пор или с их минимумом (Мо), а через mi и m2 — 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 = /(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.
Первичная пористость, % Вторичная пористость, %
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 ОГЛАВЛЕНИЕм 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.