Особенности поведения каменных материалов при нагревании

Основные сведения о неорганических вяжущих веществах.

Основные виды горных пород

По происхождению горные породы делятся на: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические. Магматические и метаморфические слагают около 90% объёма земной коры, остальные 10% приходятся на долю осадочных пород, однако последние занимают 75% площади земной поверхности.

Строение породы определяется ее структурой и текстурой. Под структурой понимают особенности соединения минеральных зерен, их размеры и формы.

Под текстурой понимают взаимное расположение и распределение слагающих породу минералов. Различают следующие виды текстуры:

- массивная текстура: никакого порядка в размещении минералов не наблюдается;
- слоистая: порода состоит из слоев разного состава;
- сланцевая: все минералы плоские и вытянутые в одном направлении;
- пористая: вся горная порода пронизана порами;
- пузырчатая: в горной породе есть пустоты от выделившихся газов.

Неорганическими вяжущими веществами называются материалы (обычно в виде тонких порошков), способные при смешивании с водой или водными растворами некоторых солен образовывать пластично-вязкую массу, которая постепенно затвердевает, превращаясь в прочное камневидное тело.

Характерные признаки неорганических вяжущих веществ— способность смешиваться с водой (гидрофильность), образовывать с водой вяжущее тесто, переходить из тестообразного состояния в твердое.

Вяжущие материалы для бетонов, строительных растворов и изделий из них в зависимости от химического и минералогического состава подразделяют на следующие основные группы: известь, цементы, известь-содержащие гидравлические и подобные вещества, а также гипсовые вяжущие вещества, жидкое стекло и кислотостойкие цементы.

Вяжущие материалы делят на гидравлические, способные твердеть на воздухе и в воде, воздушные, способные твердеть только на воздухе, и автоклавного твердения, которые эффективно твердеют при тепловлажностной обработке.

Кислотостойкие вяжущие материалы способны достигать определенной прочности и сохранять ее только в среде, в которой имеются некоторые минеральные кислоты, но не в чистой воде или в воде, содержащей щелочи.

Вяжущие материалы по прочностным показателям разделяются на марки. Марка вяжущего характеризует его прочность при сжатии при стандартном методе испытания.

Вяжущие материалы оценивают также и по скорости твердения. Наибольшей быстротой твердения (несколько часов) отличается гипсовое вяжущее. Медленнее других твердеет воздушная известь (в течение нескольких месяцев).

Мономинеральные горные породы (гипс, известняк, мрамор и др.) при нагреве ведут себя более спокойно, чем полиминеральные. Они претерпевают в начале свободное тепловое расширение, освобождаясь от физически связанной влаги в порах материала. Это не приводит, как правило, к снижению прочности и даже может наблюдаться ее рост при спокойном удалении свободной влаги. Затем в результате действия химических процессов дегидратации (если материал содержит химически связанную влагу) и диссоциации материал претерпевает постепенное разрушение (снижение прочности практически до нуля).

Полиминеральные горные породы ведут себя в основном аналогично мономинеральным, за исключением того, что при нагреве возникают значительные напряжения, обусловленные различными величинами коэффициентов теплового расширения у компонентов, входящих в состав горной породы. Это приводит к разрушению (снижению прочности) материала.

Известняк - мономинеральная горная порода, состоящая из минерала кальцита СаСО3. Нагревание кальцита до 600 оС не вызывает значительных изменений минерала, а сопровождается лишь его равномерным расширением. Выше 600 оС (теоретически температура 910 оС) начинается диссоциация кальцита по реакции СаСО3 = СаО + СО2, в результате которой образуются углекислый газ (до 44% по массе от исходного материала) и рыхлый низкопрочный оксид кальция, что вызывает необратимое снижение прочности известняка. При испытании материала при нагреве, а также после нагрева и остывания ненагруженном состоянии было установлено, что при нагревании известняка до 600 оС происходит увеличение его прочности на 78% в связи с удалением физически связанной (свободной) влаги из микропор материала. Затем прочность снижается: при 800 оС она достигает первоначальной, а при 1000 оС прочность составляет всего 20% от начальной.

После нагревания гранита до 200 оС и последующего остывания наблюдается увеличение прочности на 60%, связанное со снятием внутренних напряжений, возникших в период образования гранита в результате неравномерного охлаждения расплавленной магмы, и разницы величины коэффициентов температурного расширения минералов, составляющих гранит. Кроме того, увеличение прочности в некоторой степени, видимо, также обусловлено удалением свободной влаги из микропор гранита.

При температуре выше 200 оС начинается постепенное снижение прочности, которое объясняется возникновением новых внутренних напряжений, связанных с различием коэффициентов термического расширения минералов.

Уже значительное снижение прочности гранита наступает выше 575 оС из-за изменения объема кварца, претерпевающего модификационное превращение. При этом в граните невооруженным глазом можно обнаружить образование трещин. Однако суммарная прочность гранита в рассмотренном температурном температурном интервале еще остается высокий: при 630 оС предел прочности гранита равен начальному значению.