Зависимость свойств природного камня от состава и структуры

При рассмотрении разнообразных представителей минералов и горных пород в отношении каждого из них была установлена зависимость его свойств от состава и структуры. Существование такой зависимости предполагает наличие других обобщенных зависимостей, когда одна какая-либо 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 мономинеральными и полиминеральными. Качественные характеристики первых в основном 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, в значительной мере передаются свойства их породообразующего компонента кварца: высокие твердость, плотность и механическая прочность, малая деформа-тивность (хрупкость), раковистость излома, высокая стойкость к химическому выветриванию и др. Аналогичным образом на физико-механических свойствах известняков отражаются характерные особенности породообразующего кальцита: сравнительно легкая растворимость в воде, низкая твердость и совершенная спайность, с которыми непосредственно связана пониженная прочность этих пород. Подобное влияние упомянутых свойств кальцита проявляется также на свойствах мраморов, являющихся метаморфизованными разновидностями известняков. И хотя вторичные генетические факторы (высокие температура и давления) могут при этом несколько уменьшать влияние кальцита как породообразующего компонента, его физико-химические 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 заменой 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.

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 прочными являются 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.

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, лёссы, 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. 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 возможно 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.