I часть. Группы древесных пород 2 страница

Физические свойства минералов. Каждый минерал имеет определенные физические свойства.

По цвету минералы делятся на светлые (кварц, полевые шпаты, гипс, кальцит) и темные (роговая обманка, авгит).

По способности пропускать свет через свою толщу минералы делятся на: прозрачные (кварц, мусковит), полупрозрачные (гипс, халцедон) и непрозрачные (пирит, графит).

По блеску (способности поверхности отражать свет в различной степени) минералы делятся на несколько групп: стеклянные (силикаты), жирные (тальк), шелковистые (асбест) и др.

По спайности (способности раскалываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием ровных плоскостей – плоскостей спайности), минералы делятся на следующие группы:

− минералы, имеющие весьма совершенную спайность (минералы легко расщепляются по плоскостям спайности);

− минералы, имеющие совершенную спайность (минералы практически всегда раскалываются по плоскостям спайности);

− минералы, имеющие несовершенную спайность (раскалывание минералов не всегда проходит по плоскостям спайности);

− минералы, у которых спайность отсутствует (минералы при раскалывании образуют неровные поверхности).

По твердости минералы делятся на мягкие, средние, твердые и очень твердые (табл. 6).

Таблица 6

 

Твердость природных минералов (по шкале Мооса)*

 

Эталонный минерал	Класс твердости	Микротвердость, МПа	Визуальные признаки	Группа по твердости
Тальк, 3MgO4·SiO2·H2O			Легко чертится ногтем	Мягкие
Гипс, CaSO4·2H2O			Чертится ногтем	То же
Кальцит, СаСО3			Легко чертится стальным ножом	Средней твердости
Флюорит (плавиковый шпат), CaF2			Чертится стальным ножом под нажимом	То же
Апатит Ca5(PO4)3·(F,ОН,Cl)2			С трудом царапается стальным ножом	То же
Ортоклаз, K2O·Al2O3·6SiO2			Царапает стекло при сильном нажиме	Твердые
Кварц, SiO2			Чертит стекло	То же
Топаз, Al2O3·SiO2·H2O			Режет стекло	Очень твердые
Корунд, Al2O3			Чертит топаз	То же
Алмаз, С			Чертит корунд	То же

 

* На практике часто используют мягкий карандаш, имеющий твердость – 1; ноготь – 2,5; медная монета – 3,5; стекло – 5; лезвие ножа – 5,5

 

Горные породы представляют собой природные минеральные агрегаты, которые «рождаются» в земной коре. Каждой породе свойственно известное постоянство химического и минерального составов, структуры и условий залегания в земной коре. Чаще всего они состоят из нескольких минералов (полиминеральные горные породы). В отдельных случаях они состоят из одного минерала и называются мономинеральными (гипс, ангидрит, мрамор, кварцит и др.).

Большое разнообразие (около 1000) горных пород удобно и логично изучать, если их классифицировать по условиям образования (генетическая классификация), так как именно условия образования определяют формирование структуры, строения и свойств горных пород, а, следовательно, и природных каменных материалов.

По генезису горные породы делят на 3 большие группы (табл. 7).

 

Таблица 7

Генетическая классификация горных пород

 

Магматические породы	↓ ↓ ↓ ↓ Процессы выветривания ↓ ↓ ↓ ↓	Осадочные породы
1. Глубинные (интрузивные): гранит, сиенит, диорит, габбро	1. Механические отложения (обломочные)
2. Излившиеся (эффузивные)	1.1. Рыхлые: глины, пески, гравий
2.1. Излившиеся плотные: порфиры, трахит, порфирит, андезит, диабаз, базальт	1.2. Цементированные: песчаник, конгломерат, брекчия
2.2. Излившиеся пористые (вулканические)	2. Химические осадки: гипс, ангидрит, магнезит, доломит, известковый туф, некоторые известняки
а) рыхлые: вулканический пепел, вулканический песок, пемза	3. Органогенные отложения: мел, большинство известняков, ракушечник, диатомит, трепел
б) цементированные: вулканическая лава, туф, трассы
Процессы глубокого преобразования (метаморфизм) ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
Метаморфические породы
1. Измененные изверженные породы (гнейсы)	2. Измененные осадочные породы: мрамор, кварцит, глинистые сланцы

Магматические горные породы образовались в результате охлаждения и застывания магмы (табл. 8).

Осадочные горные породы образовались в результате процессов выветривания первичных магматических горных пород (механические отложения), выпадения из водных растворов химических осадков (химические осадки) и накопления и преобразования остатков животного мира и растений (органогенные отложения) (табл. 9).

Метаморфические (видоизмененные) горные породы образовались в результате преобразования магматических и осадочных горных пород под действием повышенных температур, давлений, агрессивных факторов и др. (табл. 10).

 

Таблица 8

Основные характеристики магматических горных пород

 

SiO2, %	Интрузивные	Эффузивные	Минералы	ρ, г/см3	R сж, МПа
Ультракислые > 75, кварца > 50	Аляскиты и аляскитовые граниты	−	Кварц	2,6	−
Кислые 65-75, кварца 5-50	Граниты	Кварцевый порфир, липарит	Кварц, полевой шпат, слюда	2,6…2,7	100…250
Средние 50-65, кварца < 5	Сиениты	Бескварцевый порфир, трахит	Полевой шпат, слюда	2,6…2,8	120…250
Диориты	Андезит, базальт, порфирит	Полевой шпат, темноокрашенные	2,8…3,0	150…300
Основные 40-50, кварца нет	Габбро, лабрадор	Диабаз, базальт	Полевой шпат, темноокрашенные	2,9…3,3	200…500
Ультраосновные <40, кварца нет	Дуниты, перидотиты, пироксениты	Аналоги не известны*	Оливин, пироксен, авгит	3,2…4,4	250…650

 

Таблица 9

Основные характеристики осадочных горных пород

 

Подгруппа	Название	Главные минералы	Структура	Средняя (насыпная) плотность, г/см3	R сж, МПа	Пористость, %
Механические	Песок кварцевый	Кварц	Скопления кристаллических зерен кварца	1,55…1,60	−	−
Гравий	−	Скопления частиц породы	1,45…1,55	−	−
Глина	Каолинит	Скопления глинистых минералов	2,55…2,60	−	−
Песчаник	Кварц	Зерна кварца, сцементированные природным цементом	2,30…2,60	до 300	0,2…2,5

 

 

Окончание табл. 9

 

Химические осадки	Известняк плотный	Кальцит	Тонкозернистая, плотная	1,70…2,60	до 100	< 3,0
Мергель	Кальцит, каолинит	Тонкозернистая	1,80…2,20	−	То же
Гипс	Гипс	Пластинчатая, волокнистая, зернистая	2,30	до 50	−
Органогенные	Известняк-ракушечник	Кальцит	Тонкозернистая пористая	0,90…2,00	2…12	6…40
Диатомит, трепел	Опал	Слабосцементированная, высокодисперсная	0,35…0,95	−	−

 

 

Таблица 10

 

Основные характеристики метаморфических горных пород

 

Название	Породообразующие минералы	Структура	Средняя плотность, г/см3	R сж, МПа	Пористость, %
Мрамор	Кальцит, доломит	Кристаллическая зернистая	2,60…2,80	120…300	0,1…0,7
Кварцит	Кварц	То же	2,50…2,70	250…400	< 0,2
Гнейс	Полевой шпат, кварц, слюда	Кристаллическая зернистая, сланцевая	2,60…2,80	100…280	0,1…1,0
Глинистые сланцы	Каолинит, слюда	То же	2,40…2,70	До 200	< 30

 

Правильный выбор области применения природных каменных материалов в строительстве основывается на подробных сведениях о составе, структуре, строении и основных свойствах исходных горных пород, которые зависят от условий их образования. Особо значение следует уделять долговечности горных пород (табл. 11).

Таблица 11

 

Классификация горных пород по долговечности

 

Группа	Горные породы	Появление признаков разрушения, лет
Весьма долговечные	Кварцит, мелкозернистый гранит	500…650
Долговечные	Крупнозернистый гранит, сиенит, габбро, лабрадорит	200…250
Относительно долговечные	Белый мрамор, плотный известняк, плотный песчаник	100…150
Недолговечные	Цветной мрамор, известняк, гипс	25…75

 

Цель работы

 

Исследовать основные свойства природных каменных материалов и изучить их зависимость от условий образования, состава, структуры и состояния исходных горных пород. Определить области применения изучаемых горных пород в строительстве.

 

Порядок выполнения работы

 

Для решения задач исследования, поставленных в работе, каждое звено студентов проводит следующие испытания:

− определяет истинную плотность горной породы пикнометрическим методом;

− определяет среднюю плотность горной породы;

− рассчитывает пористость горной породы;

− определяет водопоглощение горной породы.

В качестве объектов исследований рекомендуется выдача образцов горных пород, принадлежащих к различным генетическим группам.

 

Методы испытаний

 

1. Определение истинной плотности горной породы

 

Отбирают пробу горной породы и для ликвидации пор и других дефектов структуры ее дробят. а затем размалывают в фарфоровой или агатовой ступке до размера зерен менее 0,2 мм. Приготовленный порошкообразный материал высушивают в термостате при температуре 105…110 ^оС до постоянной массы, взвешивают, а затем охлаждают в эксикаторе до комнатной температуры.

От подготовленной пробы берут навеску массой около 10 г, высыпают ее в чистый предварительно взвешенный пикнометр (рис. 3).

 

Рис. 3. Пикнометр

 

Пикнометр с навеской взвешивают, заливают на 2/3 объема дистиллированной водой и ставят на песчаную баню. Осторожным кипячением в течение 15…20 минут удаляют из материала воздух. После кипячения пикнометр с содержимым охлаждают до комнатной температуры. Пикнометр тщательно вытирают снаружи, доливают до черты по нижнему мениску дистиллированную воду и взвешивают, определяя массу пикнометра с водой и навеской. Затем пикнометр освобождают от содержимого, промывают, заполняют до черты дистиллированной водой комнатной температурой и вновь взвешивают, определяя массу пикнометра с водой.

Истинная плотность вещества горной породы определяют по формуле

(m ₂ – m ₁) ρ_воды

ρ_в-ва = −−−−−−−−−−−−−−,

m ₄ + (m ₂ – m₁ ) – m ₃

где ρ_в-ва − истинная плотность вещества, г/см³; m ₁ – масса сухого чистого пикнометра, г; ρ_воды − плотность воды, г/см³; m ₂ − масса пикнометра с навеской, г; m ₃ − масса пикнометра с водой и навеской, г; m ₄ – масса пикнометра с водой, г.

 

Определение истинной плотности вещества горной породы проводят дважды, расхождение между двумя параллельными результатами не должно превышать 0,02 г/см³.

 

2. Определение средней плотности образцов горных пород

 

От каждой горной породы отбирают по 3 образца, которые после предварительного высушивания взвешивают. Затем на каждый образец с помощью кисти наносят тонкий слой расплавленного парафина так, чтобы была покрыта вся поверхность. Дав парафину застыть, образцы снова взвешивают и перевязывают прочной нитью. Объем образца, покрытого слоем парафина, определяют при помощи объемомера (рис. 4), который предварительно заполняют водой до уровня слива. Парафинированный образец на нитке опускают в объемомер, а вытесненная жидкость стекает в стакан 4 (мерный цилиндр 3). Водонепроницаемый слой парафина препятствует впитыванию воды, что превышает точность определения объема образца.

 

Рис. 4. Объемомер для определения средней плотности материала: 1 – объемомер; 2 – образец; 3 – мерный цилиндр; 4 − стакан

 

Из установленного таким образом объема образца с парафином необходимо вычесть объем, занимаемый парафином.

Плотность парафина ρ_пар = 0,93 г/см³.

Плотность образца горной породы подсчитывают как частное от деления массы образца в сухом состоянии на его объем

m ₁ m ₁

ρ_г.п = −− = −−−−−−−−−−−−,

V _обр m ₂– m ₁ m ₂ – m ₁

−−−−− − −−−−−−

ρ_воды ρ_пар

где ρ_{г. п} − плотность породы, г/см³; m ₁ – масса породы в сухом состоянии, г; V _обр − объем образца, см³; ρ_воды − плотность воды, г/см³; m ₂ − масса породы, покрытого слоем парафина, г; m ₃ − масса породы, покрытого слоем парафина в воде, г.

 

Среднюю плотность горной породы вычисляют как среднее арифметическое испытаний 3 образцов. Результаты определения истинной плотности и плотности горной породы в куске сравнивают с табличными данными (см. табл. 8-10). Отклонения экспериментальных данных от табличных свидетельствуют о неправильном проведении лабораторных испытаний.

 

3. Определение пористости горных пород

 

Пористость, характеризующая степень заполнения объема образца породы порами, подсчитывают в процентах по установленным величинам истинной плотности и средней плотности горной породы по формуле

p = (1 − (ρ_г.п/ρ_в-ва)) ^.100 %,

где p − пористость горной породы, %; ρ_г.п – средняя плотность горной породы, г/см³; ρ_в-ва − истинная плотность вещества горной породы, г/см³.

 

4. Определение водопоглощения горных пород

 

От горной породы отбирают по 3 образца, которые после предварительного высушивания взвешивают с погрешностью 0,01 г. Насыщение водой производят при кипячении в течение 1 часа. Уровень воды в сосуде должен быть выше уровня верха образцов не менее чем 2 см. После кипячения образцы охлаждают до комнатной температуры. Затем образцы поочередно вынимают из воды, обтирают влажной тканью и взвешивают.

Водопоглощение определяют по массе поглощенной воды в процентах от массы сухого образца

(m _нас − m _сух)

W _m = ------------------ ^.100 %,

m _сух

где W _m − водопоглощение образца по массе, %; m _нас – масса образца в водонасыщенном состоянии, г; m _сух – масса сухого образца, г.

 

Показатель водопоглощения горной породы подсчитывают как среднее арифметическое испытаний 3 образцов.

 

Выводы по работе

 

На основе анализа результатов исследований, полученных всей подгруппой и оформленных в отчете в виде сводной таблицы, необходимо сделать заключение о зависимости показателей плотности, пористости, водопоглощения от их состава, строения и условий образования.

 

Контрольные вопросы

1. Что произойдет с кварцем и кварцсодержащими горными породами при нагревании до 600 ^оС?

1. Разрушатся. 2. Расплавятся. 3. Сгорят. 4. Ничего не произойдет.

2. Назовите представителя природных каменных материалов из магматических горных пород. 1. Мрамор. 2. Гранит. 3. Известняк. 4. Мел.

3. Назовите представителя природных каменных материалов из осадочных горных пород. 1. Мрамор. 2. Гранит. 3. Известняк. 4. Сиенит.

4. Назовите представителя природных каменных материалов из метаморфических горных пород. 1. Мрамор. 2. Гранит. 3. Известняк. 4. Мел.

5. Какая формула соответствует кальциту?

1. CaSO₄. 2. CaCO₃MgCO₃. 3. CaCO₃. 4. Ca(HCO₃)₂.

6. Какие магматические горные породы называют аналогами?

1. Горные породы с одинаковой степенью закристаллизованности.

2. Горные породы, образовавшиеся из магмы с одинаковым химическим составом, но при различных условиях охлаждения и затвердевания.

3. Горные породы, содержащие кремнезем.

4. Горные породы с одинаковой пористостью.

7. Назовите представителя породообразующих минералов из группы сульфатов. 1. Кварц. 2. Ангидрит. 3. Доломит. 4. Кальцит.

8. На какие основные группы подразделяют горные породы согласно генетической классификации?

1. Рыхлые, обломочные, сцементированные.

2. Магматические, органогенные, глубинные.

3. Полнокристаллические, скрытокристаллические, аморфные.

4. Магматические, осадочные, метаморфические.

9. Назовите факторы, вызывающие метаморфизм горных пород.

1. Процессы физического выветривания и химического разложения.

2. Химические и биологические процессы.

3. Действие высоких температур газов и растворов.

4. Процессы аморфизации структуры.

10. Какие условия являются благоприятными для процесса кристаллизации магмы и формирования полнокристаллического строения горных пород?

1. Медленное и равномерное охлаждение при большом давлении.

2. Медленное и равномерное охлаждение при нормальном давлении.

3. Быстрое и неравномерное охлаждение при большом давлении.

4. Быстрое и неравномерное охлаждение при нормальном давлении.

11. Какие условия являются благоприятными для процесса аморфизации магмы и формирования аморфной структуры горных пород?

1. Медленное и равномерное охлаждение при большом давлении.

2. Медленное и равномерное охлаждение при нормальном давлении.

3. Быстрое и неравномерное охлаждение при большом давлении.

4. Быстрое и неравномерное охлаждение при нормальном давлении.

12. Почему мрамор не рекомендуется применять для наружной облицовки зданий и сооружений?

1. Вследствие его низкой плотности и малой морозостойкости.

2. Мрамор теряет свои декоративные свойства вследствие коррозии.

3. Под действием солнечной радиации мрамор темнеет.

4. Мрамор плохо поддается механической обработке из-за высокой прочности и твердости.

13. Для чего горную породу измельчают в тонкий порошок при определении истинной плотности?

1. Для того, чтобы разрушить кристаллическую решетку.

2. Для ликвидации пор и дефектов строения горной породы с целью получения объема абсолютно плотного материала.

3. Для удобства помещения пробы материала в пикнометр.

4. Для того, чтобы навеску взвесить с погрешностью 0,01 г.

 

Лабораторная работа № 2

СТРОИТЕЛЬНАЯ ДРЕВЕСИНА

Общие сведения

 

Древесина является весьма распространенным строительным материалом, который широко применяется в строительстве благодаря ряду положительных свойств: высокая прочность при малой плотности, малая теплопроводность, легкость механической обработки, простота скрепления отдельных элементов, высокие декоративные показатели.

Вместе с тем древесина имеет ряд недостатков, связанных с ее растительным происхождением. Строительные свойства древесины существенно ухудшаются за счет ее анизотропности, гигроскопичности, наличия пороков, способности к загниванию.

Изучение строения древесины и ее физико-механических свойств необходимо для того, чтобы смягчить и ослабить влияние отрицательных свойств и в максимальной степени использовать положительные свойства при использовании ее в качестве строительного материала.

В зависимости от степени переработки различают:

− лесные материалы, получаемые путем механической обработки стволов дерева (бревна, пиломатериалы), в таком виде древесина сохраняет все присущие ей свойства;

− готовые изделия и конструкции, изготовляемые в заводских условиях (столярные плиты, оконные и дверные блоки, элементы и детали сборных домов, клееные конструкции), свойства древесины при этом используются более рационально;

− синтетические материалы, получаемые при глубокой переработке древесного сырья (древесноволокнистые и древесно-стружечные плиты, клееная фанера, арболит и др.), в которых вовлекаются в переработку почти все отходы, образующиеся при обработке древесины.

Для определения породы древесины и суждения о ее свойствах изучают макроструктуру древесины невооруженным глазом или под небольшим увеличением.

Древесина имеет анизотропное строение, поэтому для более полного представления о качестве макроструктуры древесины, ее изучают по трем разрезам ствола дерева (рис.5.):

– поперечный (торцевой) разрез – поперек оси ствола;

– радиальныйпродольный разрез – вдоль оси ствола по диаметру или радиусу;

– тангентальныйпродольный разрез – вдоль оси ствола по хорде.

В поперечном и радиальном разрезах ствола различают следующие основные части: кору, камбий, собственно древесину (заболонь и ядро) и сердцевину.

На этих же разрезах различимы концентрически расположенные годичные слои, каждый из которых соответствует одному году жизни дерева. Годичный слой состоит из кольца ранней и кольца поздней древесины, хорошо различимых на торцевом сечении большинства древесных пород.

Ранняя древесина, образованная весной и в начале лета, имеет светлые крупные тонкостенные клетки, большую пористость и невысокую прочность.

Поздняя древесина, образовавшаяся летом и в начале осени, имеет темный цвет, более высокие плотность и прочность. Чем толще слои поздней древесины, тем выше прочность древесной породы в целом.

Строительная древесина – освобожденная от коры ткань древесных волокон, которая содержится в стволе дерева. Ткань – группа клеток с одинаковым строением и функциями.

 

Рис. 5. Основные разрезы ствола дерева: а) 1 – поперечный (торцевой); 2 – радиальный; 3 – тангентальный; б ) строение дерева на поперечном разрезе; 1 – кора; 2 – камбий; 3 – луб; 4 – заболонь; 5 – сердцевина; 6 – сердцевинные лучи

 

Изучая строение древесины под большим увеличением, можно увидеть, что основную ее массу составляют растительные клетки, вытянутые вдоль ствола (микроструктура). Некоторые клетки вытянуты в поперечном направлении (клетки сердцевинных лучей). Каждая клетка имеет оболочку (стенку), древесина растущего дерева содержит живые и отмершие клетки. В живых клетках содержится протоплазма, ядро и клеточный сок.

Срубленная древесина состоит из омертвевших клеток, т.е. из клеточных оболочек. Оболочки клеток сложены из нескольких слоев очень тонких волоконец, называемых микрофибриллами, которые, в свою очередь, состоят из длинных нитевидных цепных молекул целлюлозы – высокомолекулярного природного полимера (С₆Н₅О₅)со сложным строением макромолекул, которые очень эластичны и сильно вытянуты.

Лиственные породы, называемые кольцесосудистыми (дуб, вяз, ясень), имеют крупные сосуды, которые располагаются в ранней части годичного слоя, и мелкие сосуды, собранные в группы или распределенные по всей площади поздней древесины.

В рассеяннососудистых лиственных породах (липа, береза, осина) крупных сосудов нет, и различия между ранней и поздней частью годичного слоя не наблюдаются.

Деревья хвойных пород сосудов не имеют, они состоят из замкнутых удлиненных клеток − трахеид. У большинства хвойных пород между трахеидами в поздней части годичного слоя находятся смоляные ходы − межклеточные пространства, заполненные смолой.

По назначению клетки делятся на три группы: проводящие, механические и запасающие.

Проводящие клетки служат для передачи питательных веществ от корней к ветвям и листьям. Они в основном находятся в камбии и заболони. В лиственных породах ими являются сосуды, расположенные вдоль оси ствола.

Механические клетки имеют вытянутую форму, толстые стенки и узкие внутренние полости, которые плотно соединены между собой. Эти клетки и придают древесине высокую прочность, занимая основной объем ствола.

Запасающие клетки находятся большей частью в сердцевине и сердцевинных лучах. Они служат для хранения и передачи питательных веществ живым клеткам в горизонтальном направлении. Эти клетки очень слабые и легко загнивают.

Большое влияние на свойства древесины оказывает ее влажность. Изменение влажности сказывается на прочности, плотности, теплопроводности, приводит к изменению формы и размеров изделия.