Определение степени истираемости природного камня
Н.В.Амбарцумян, доц., к.т.н., ООО «Гранит Мрамор» (г. Москва) А.С. Оганесян, доц., к.т.н., МГГУ А.М.Хакурате, доц., к.т.н., чл.-корр. МАИЭБ, МГГУ
В последнее столетие развитие науки и новых технологий позволило применить в строительстве различные искусственные материалы, соответствующие современным требованиям по технологии строительства жилья, обустройства интерьера, которые, казалось, уже обеспечили самые изысканные потребности человека. Однако в настоящее время обозначилась возрастающая тенденция возврата человека к природным экологически чистым материалам, что означает новое отношение, новый взгляд человека на природную среду.
Для правильного выбора материала, в зависимости от условий эксплуатации и срока службы, необходима объективная оценка его долговечности, одним из критериев которой является истираемость природных камней.
Установление предельного срока службы природного камня в истирающихся конструкциях позволит при проектировании строительных сооружений на его основе выбирать наиболее оптимальные природные материалы для конкретных условий их работы.
Для измерения износа природных камней в лабораторных условиях нами было применено специально изготовленное приспособление, представляющее собой профильную пустотелую балку на двух опорах, по которой передвигается тележка с устройством, записывающим профиль конструкции из камня (например, пола или ступени).
С целью увязки лабораторных данных по истираемости природных камней с износом в реальных конструкциях было проведено натурное обследование и измерение износа каменных полов и лестниц в Московском метрополитене.
Результаты натурных инструментальных измерений износа и статистические данные о потоках пассажиров были подвергнуты математической обработке, в результате чего была определена величина пассажиропотока (млн.чел.), при котором получается единица износа (мм) на единицу ширины конструкции (м).
Результаты подсчета показали, что на один мм износа газганского мрамора приходится пассажиропоток 2.15–2.5 млн.чел., капустинского гранита — 11.0 млн.чел., коростышевского гранита — 22 млн.чел.
Натурные измерения позволили установить, что в одних и тех же условиях в лестницах износ в 1.5–1.7 раза превышает износ в полах. Для сопоставления результатов износа пород в зависимости от пассажиропотока с результатами лабораторного испытания их на истираемость были поставлены специальные опыты. В автоматических контрольных пунктах (турникетах) ст. «Киевская» были уложены плиты из мраморов Иджеванского, Коелгинского и Хорвирапского месторождений и базальта Арзнинского месторождения.
После шести месяцев службы была определена величина максимального износа каждой плиты. Величина же пассажиропотока устанавливалась с большой точностью по показателям счетчиков автоматических контрольных пунктов.
Подсчеты показали, что на один мм износа приходятся следующие пассажиропотоки в зависимости от породы камня:
•арзнинский базальт — 3.12 млн.чел.
•коелгинский мрамор — 1.46 млн.чел.
•иджеванский мрамор — 2.86 млн.чел.
•хорвирапский мрамор — 2.2 млн.чел.
Для установления зависимости натурного износа природных камней от показателя истираемости по лабораторным испытаниям было необходимо иметь точные данные таких испытаний для исследуемых пород камня.
Однако стандартный метод испытания на истираемость страдает рядом недостатков, не позволяющих получить точные и сопоставимые данные. Это связано, в основном, с применением в качестве истирающего материала свободного абразива: кварцевого песка или карборунда. Единица измерения показателя истирания в г/см2 выбрана также не совсем правильно, так как она не может быть приемлема при сравнительном изучении истираемости различных горных пород с неодинаковой плотностью.
Исходя из этого, была разработана новая методика лабораторного испытания природного камня на истираемость на основе серии экспериментов по сравнительному изучению истираемости горных пород при применении как свободного абразива, так и связанного, в виде абразивных кругов из карбида кремния и синтетического алмаза. В результате экспериментов была установлена целесообразность применения абразивных кругов для объективной оценки истираемости природного камня. При этом уменьшился разброс показателей истираемости, и полученные данные для различных горных пород достаточно четко согласуются как с их физико-механическими свойствами, так и с реальным износом в натурных условиях. Поэтому в дальнейшем исследование истираемости облицовочного камня проводилось связанным абразивом. Была определена истираемость облицовочных камней из 84 важнейших разрабатываемых месторождений СНГ. В качестве абразива были использованы круги из карбида кремния К3-10 на бакелитовой связке.
Анализ данных натурного исследования истираемости облицовочных камней в условиях Московского метрополитена и их сопоставление с результатами лабораторных испытаний на истираемость по принятой нами методике показал наличие определенной взаимосвязи между этими характеристиками.
Графически эта зависимость представлена на рис. 1. На графике значения натурного износа приведены в единице пассажиропотока 1 млн.чел., а значения показателя истираемости — в мм (высота истертого слоя) для образцов камня 113 мм.
Как видно из графика, существует четкая прямая пропорциональная связь между вышеуказанными показателями, что дает возможность на основе данных лабораторных испытаний истираемости облицовочных камней по предлагаемой нами методике предопределить сроки их службы в натурных условиях при данном значении людского потока.
Для расчета натурного годичного износа породы в полах зданий и сооружений, в зависимости от людского потока и показателя ее истираемости, предлагается следующая эмпирическая формула:
Ин пол=0.59 x Q x Ил x 10-6, мм, (1)
где: Инпол — натурный износ породы в полах, мм; Q — людской поток, чел./год; Ил — показатель истираемости той же породы в мм при принятых нами параметрах испытания.
Для расчета натурного годичного износа породы при облицовке ступеней, лестниц формула имеет вид:
Инлест=1.5xИнпол=0.88 x Q x Ил x 10-6 (2)
Задаваясь толщиной облицовочной плиты и связанной с ней высотой допустимого износа при известном пассажиропотоке, можно, пользуясь формулами (1) и (2) и на основе данных лабораторных испытаний, определить срок службы породы конкретного месторождения, соответственно, в полах и лестницах проектируемых зданий и сооружений.
Исходя из данных натурных обследований, нами предлагаются следующие значения допустимых износов в зависимости от толщины плиты d и породы камня: для мраморов d - 10 мм; для гранитов d - 5 мм.
Пользуясь результатами натурных исследований и формулой (1), можно предложить следующую классификацию облицовочных камней по истираемости при условном пассажиропотоке 1 млн.чел./год (табл. 1).
По результатам исследований, выполненных по 84 месторождениям стран СНГ, получены зависимости истираемости от предела прочности на сжатие для мрамора (рис. 2) и гранита (рис. 3).
Полученные данные могут быть использованы при проектировании облицовки из природного камня и конструкций, подвергающихся истиранию.
