Оценка физико-механических свойств строительных горных пород при освоении минерально-сырьевых ресурсов природного камня Карелии

УДК 622.35 Е.Е. Каменева

ОЦЕНКА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОСВОЕНИИ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВЫХ РЕСУРСОВ ПРИРОДНОГО КАМНЯ КАРЕЛИИ

Приведены результаты комплексных технолого-минералогических исследований. Показано, что некоторые природные разновидности горных пород характеризуются непостоянством свойств даже в пределах одного месторождения, что необходимо учитывать при оценке возможных направлений использования природного камня.

Ключевые слова: геологоразведочные работы, физико-механические свойства горных пород, прочность породы.

Обязательным этапом геологоразведочных работ на месторождениях природного камня является проведение лабораторных испытаний физикомеханических свойств горных пород. Согласно установленным требованиям исследуются следующие показатели: прочность, плотность, водопоглоще-ние, пористость, морозостойкость. Кроме того, анализируется минерало-го-петрогра-фический состав породы, определяется содержание естественных радионуклидов, оценивается декоративность [1, 2].

В результате комплексных техноло-го-минералогических исследований, которые на протяжении ряда лет проводятся в испытательной лаборатории строительных горных пород Петрозаводского государственного университета, показано, что некоторые природные разновидности горных пород характеризуются непостоянством свойств даже в пределах одного месторождения, что необходимо учитывать при оценке возможных направлений использования природного камня.

Анализ результатов выполненных исследований позволил выявить ряд за-

кономерностей и зависимостей, которые могут быть использованы при предварительной оценке горных пород.

Физико-механические свойства горных пород определяются их минеральным составом, текстурно-структурными особенностями, а также наличием природных дефектов структуры.

По составу все изученные типы пород представлены одним и тем же набором минералов, но в различных количественных соотношениях. Пределы колебаний содержаний основных породообразующих минералов в составе отдельных типов магматических пород достаточно широкие. В этой связи следует отметить, что название породы, установленное в результате минералого-петрографичес-кого изучения, позволяет получить лишь приближенное представление о ее количественном минеральном составе (табл. 1).

Минеральный и химический составы горной породы взаимосвязаны, однако однозначная зависимость содержания отдельных элементов от содержания минералов не прослеживается, что объясняется, с одной стороны, - присутствием одних и тех же химических эле-

Рис. 1. Зависимость содержаний магния и железа от содержания кремнезема в составе горных пород

Рис. 2. Зависимость содержания СаО от содержания SЮ2 в горных породах

ментов в составе различных минералов, с другой - непостоянством химического состава самих минералов.

Наиболее общей закономерностью является увеличение содержания магния и железа при переходе от пород кислого состава к породам основного состава

(рис. 1), что связано с более высоким содержанием темноцветных и рудных минералов

Увеличение содержания оксида кальция при снижении весовой доли кремне-кислоты (рис. 2) связано с ростом суммарного содержании плагиоклаза и темноцветных: при различных количественных соотношениях этих минералов их суммарное содержание в породах основного состава составляет 80-80 %

Попытка связать прочность породы с прочностью слагающих ее минералов не позволяет получить зависимости ни для одного из изученных типов пород. Это объясняется тем, что прочностные свойства горной породы в значительной мере связаны с ее структурой и текстурой.

Магматические породы основного состава - габбро, диабазы, габбро-диа-базы характеризуются массивной, в ряде случаев порфиробла-стической текстурой за счет выделений порфиробласт амфибола размером до 0,21,0 см. Структура пород - от крупнозернистой до скрытокристаллической. Результаты петрографоминералогического изучения шлифов свидетельствуют, что микротрещиноватость у пород этого типа отсутствует.

Исследование взаимосвязи минерального (химического) состава и физико-механических свойств пород показывает, что прочность пород с высоким

1 2 3

Рис. 3. Прочность пород основного состава (габбро, диабазы, габбро-диабазы) в зависимости от соотношения содержаний темноцветных минералов и плагиоклаза: 1 -темноцветные - >45%, плагиоклаз - 30-35%; 2 - темноцветные - 35-45%, плагиоклаз -35-45%; 3 - темноцветные - 3035%, плагиоклаз - 45-60%.

12 3 4

Рис. 4. Прочность пород основного состава

содержанием темноцветных минералов (амфибол, роговая обманка) выше, чем у пород с высоким содержанием плагиоклазов (рис. 3).

Изучение физико-механических свойств пород основного состава свидетельствует о том, что при относительно стабильных значениях истинной плотности (2,94-3,17 г/см3), средней плотности (2,93-3,1 г/см3), и пористости (0,21-1,0 %) породы проявляют различия в прочности (152-370 МПа). Прослеживается взаимосвязь прочности и структуры: менее прочными являются разновидности, обладающие крупнозернистой структурой (рис. 4).

Сравнение свойств интрузивных и эффузивных пород показывает, что при сходном количественном минеральном составе габбро обладают массивной скрытокристаллической текстурой, что обуславливает их более высокую плотность и прочность по сравнению с диабазами.

Магматические породы среднего состава - диориты изучены на примере двух месторождений Карелии. Диориты представлены

двумя основными типами: 1) кварцевые диориты 2) метаморфизованные диориты с высоким (до 70 %) содержанием темноцветных минералов и выраженной сланцеватостью.

Диориты первого типа характеризуются массивной пятнистой текстурой,

средне- и мелкозернистой структурой. Метаморфизованные разновидности (второй тип) характеризуются сланцеватой полосчатой текстурой и

Таблица 1

Минеральный состав основных типов горных пород месторождений Карелии

Условный номер Минеральный состав, %

месторождения (ко- Плагио- Микро- Кварц Слюды Рудные Темно- Эпидот

личество проб) клаз клин цветные

Г аббро-диабазы

I (2) 40-60 - 1-2 0,5-2 3-6 30-35 -

II (13) 20-35 - 1-5 0,5-6 3-5 45-55 7-20

III (1) 50-55 - - 1,5-2 2-3 33-37 -

Г аббро

Щ1) 30-35 - 1-2 1-2 3 60 -

V (2) 55-60 40-45

Плагиограниты

IV (4) 55-60 6-10 25-35 3,5-10 - - 1-15

VI (6) 60-65 - 25-30 4-6 - - -

VII (3) 60-65 25-30 4-5 - - 1-2

УШ(4) 60-65 1-3 25-30 3-6 - - -

Микроклин-плагиоклазовые граниты

IX (11) 25-40 30-37 25-30 3-4 - - -

VI (9) 30-35 27-30 35-37 12-14 - - -

IV (2) 50-60 15-20 25-30 5-8 - - 0,5-2

X (12) 25-35 35-37 25-37 2.5-5 - - -

ХЦ19) 25-40 25-30 25-28 4-7 - - -

IV (9) 50-55 10-20 25-30 5-7 - - -

XII (17) 25-40 20-25 20-35 5-20 - - -

УШ(4) 25-30 25-30 30-35 1-5 - - -

Диориты

XIII

I тип 60-70 5-7 4-20 7-20 0,5-6 10-40 Ед.

II тип До 30 - - - До1 До 70 -

Г нейсо-граниты

XIV (4) 50-65 5-20 15-20 10-20 - - -

Примечание. К темноцветным минералам отнесены амфибол и роговая обманка.

мелкозернистой структурой. Породы I и

II типов различаются по соотношению содержаний слагающих их минералов (табл. 1), что обуславливает контрастность свойств.

Сравнение физико-механических характеристик пород показывает, что для диоритов первого типа характерны более высокие значения плотности: истинная плотность 3,05 г/см3, средняя плотность - 3,02 г/см3, что является следствием высокого содержания рудных минералов. Для пород второго типа значения истинной и средней плотности составляют 2,8 г/см3 и 2,76 г/см3 .

Более высокая прочность пород второго типа (169 МПа по сравнению с 101 МПа у пород первого типа) является следствие высокого содержания темноцветных минералов (роговая обманка), также текстуры (массивная однородная) и структуры (равномернозернистая мелкозернистая). Причинами снижения прочности у диоритов второго типа являются вторичные изменения (замещение пироксена карбонатом), и текстура (наличие прослоев плагиоклаза и темноцветных минералов с ослабленными связями между слоями).

Магматические кислые породы (граниты). По данным минералогопетрографических исследований выделены две группы гранитов - плагиогра-ниты и микроклин-плагиоклазо-вые граниты, - проявляющие различия в составе и физико-механическим свойствам.

Плагиограниты характеризуются массивной или массивной пятнистой (за счет крупных выделений порфиробла-стов плагиоклаза) текстурой. Структура - от крупнозернистой до мелкозернистой. Основной породообразующий минерал - плагиоклаз (55-65 %).

Микроклин-плагиоклазовые граниты имеют массивную, массивную порфировидную (от пятнистой до полосчатой) текстуру, структура - от крупнозернистой до мелкозернистой, иногда - пор-фиробластовая. В микроклин-плагиоклазовых гранитах достаточно часто встречаются микротрещины

Основные породообразующие минералы микроклин-плагиоклазовых гранитов: плагиоклаз (25-45 % в отдельных пробах), микроклин (до 37 %), кварц (25-37 %). Содержание слюд (биотит, серицит, хлорит, мусковит) - до 20 %. В метаморфизованных образцах отмечается эпидот (до 2 %).

Распределение основных породообразующих минералов в разновидностях гранита крайне неравномерные. Общей особенностью является наличие достаточно крупных зерен плагиоклаза и микроклина (от 0,1 до 1,5 мм), выделение кварца в виде ксеноморфных зерен размером 1-5 мм между полевыми шпатами. Биотит во всех исследованных шлифах выделяется в интерстициях, а также в виде лейст размерами до 0,2-0,5 мм. В отдельных образцах плагиоклаз замещается серицитом и эпидотом и сечется микротрещинами размером 0,1 -0.3 мм, что снижает их прочность.

Разновидности гранита различаются по содержанию кремнекислоты: в мик-роклин-плагиоклазовых гранитах содержание SiO2 составляет в среднем 73,46 %, в то время как в плагиограни-тах - 69,7 %. Более высокое содержание СаО (среднее 2,77 %) и низкое К20 (среднее 3,45 %) в плагиогранитах связано с изменением соотношения плагиоклаза и микроклина в сравнении с мик-роклин-плагиоклазовыми гранитами, в которых средние содержания составляют 1,38 % СаО и 5,06 % К20.

Сопоставление физико-механи-

ческих характеристик гранитов показывает, что плагиограниты характеризуются более высокими значениями плотности и прочности и значительно меньшими - пористости по сравнению с микро-клин-плагиоклазовыми разновидностями. Прочность гранитов увеличивается при увеличении содержания плагиоклаза

Метаморфизованные породы гранитного состава - гнейсо-граниты - по минеральному и химическому составу близки к исходным гранитам, характеризуются гнейсовидной (слоистой) текстурой и среднезернистой структурой. Показатели плотности и прочности у них ниже, чем у неизмененных гранитов.

Прочностные характеристики горной породы связаны с ее плотностью (рис. 6). При этом истинная плотность горной породы фактически учитывает только минеральный состав породы, а средняя плотность - минеральный состав, пористость и микротрещиноватость. Эта закономерность имеет общий характер и прослеживается для всех изученных типов пород.

В то же время, значимые корреляционные связи прочности и плотности в пределах одного типа породы отсутствуют. Анализ показывает, что породы

Рис. 5. Прочность гранитов в зависимости от содержания плагиоклаза: 1 - 25-35%; 2- 35-55%; 3- 55-60%; 4 -6065%

180

« 160 I

* 140 о

ей

В 120

&

I

0>

&

100

80

60

♦

ж  ♦♦ ♦

♦

X ♦

♦

2,45 2,55 2,65 2,75 2,85 2,95

Средняя плотность, г/смЗ

3,05

Рис. 6. Зависимость между средней плотностью и прочностью горных пород

с одинаковым минеральным составом, и равными значениями истинной плотности, но обладающие различной текстурой и структурой, проявляют различия в прочностных свойствах.

В горных породах, используемых в качестве строительного камня, лимитируется содержание естественных радионуклидов - радия (Яа-226), тория (ТЪ-232) и калия (К-40). Содержание радионуклидов оценивается по величине удельной э ф-ф ектив ной актив ности -

суммарной удельной актив -ности естественных радионуклидов в пробе щебня или горной породы. Радий и торий находятся в горных породах в рассеянном состоянии в породообразующих и акцессорных минералах (ортит, ксенотим, пирохлор, циркон, сфен). Радиоактивный изотоп калия встречается в полевых шпатах и слюдах.

Габбро-диабазы - магматические породы основного состава характеризуются невысоким содержанием радиоактивных элементов ввиду низкого содержания перечисленных минералов и относятся к I группе. Граниты характеризуются более высокой радиоактивностью (I-

III группы).

Средние значения удельной эффективной активности естественных радионуклидов в горных породах приведены в табл. 2.

Обобщенные результаты испытаний физико-механических свойств

Таблица 2

Удельная эффективная активность естественных радионуклидов в горныгх породах

Тип породы (количество измерений) Удельная активность радионуклида ^), Бк/кг Удельная эффективная активность ЕРН Бк/кг

Ra-226 та-232 К-40

Граниты (48) 15-220 19-164 331-1465 77-462

88 95 966 294

Габбро, диабазы (38) 1-14 0-10 0-205 9-49

7 4 113 22

Примечание. В числителе - наименьшее и наибольшее значение, в знаменателе - среднее значение для выборки.

Таблица 3

Сравнительная характеристика физико-механических свойств горных пород

Порода (количество испытанных проб) Плотность г/см3 Водо- поглощение, % Порис- тость, % Предел прочности при сжатии, МПа

Истинная Средняя

Г аббро, диабазы (60) 2,94-3,17 3,05 2,93-3,1 3,02 0,01-0,11 0,06 0,21-1,0 0,6 152-350 251

Плагиограниты (81) 2,62-2,98 2,8 2,58-2,89 2,74 0,06-1,4 0,73 0,26-4,3 2,13 102-228 165

Микроклин-плагиоклазовые граниты (53) 2,58-2,7 2,64 2,49-2,66 2,58 0,14-0,91 0,52 0,98-3,6 2,29 70-164 117

Примечание. В числителе - наименьшее и наибольшее значение, в знаменателе - среднее значение для выборки.

горных пород Карелии приведены в табл. 3.

Таким образом, прочностные свойства горных пород определяются совокупностью факторов минерального состава и текстурно-структурных особенностей. Наиболее значимыми факторами, определяющими прочность породы, является ее структура (размеры минеральных зерен, характер их срастаний) и

соотношение содержаний основных породообразующих и минералов - плагиоклаза, микроклина, темноцветных минералов и слюд. Широкие вариации этих характеристик в пределах одного типа породы предопределяют необходимость индивидуальной толковании прочностных свойств для каждого конкретной пробы.

------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 9479-98 «Блоки из горных пород 2. ГОСТ 30629-99 «Материалы и изделия для производства облицовочных, архитектур- облицовочные из горных пород. Методы испы-

но-строительных, мемориальных и других из- таний». иігд=і

делий. Технические условия».

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ --------------------------------------------------------

Каменева Е.Е. - кандидат технических наук, доцент, руководитель Испытательной лаборатории строительных горных пород Петрозаводского государственного университета.