CC BY
17DO: 10.24411/2619-0761-2020-10028 УДК 351.02
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ НА СЖАТИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ОБРАЗЦА МЕЛА ОТ ВРЕМЕНИ ВОДОПОГЛОЩЕНИЯ, ПРИБОРОМ ОДНООСНОГО СЖАТИЯ
Черныш А.С., Губарев С.А. *
*Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, г. Белгород, Россия
* E-mail: gubarev. sereja@yandex. ru
Аннотация. В данной статье произведен анализ экспериментального исследования образца мела, на предмет предела прочности на сжатие от времени водопоглощения.
Ключевые слова: мел, размягчаемость, прочность, одноосное сжатие, водопоглащение.
Введение.
лажность напрямую связана со значением прочностных характеристик любого исследуемого образца. От влажности меняются такие характеристики, как морозостойкость, прочность, меняется и несущая способность.
Основная часть. При взаимодействии грунтов с водой в статических условиях их водопрочность характеризуется размокаемо-стью и потерей прочности при замачивании (размягчаемостью).
Коэффициент размягчаемости - показатель водоустойчивости скальных и полускальных горных пород, численно равный отношению временного сопротивления сжатию образца породы после насыщения водой к временному сопротивлению сжатию образца до насыщения водой:
Я
Ksat =
Данная характеристика является классификационной для скальных и полускальных грунтов. При Кш: > 0,9 порода водоустойчива, при Кш: = 0,7...0,8 имеет пониженную водоустойчивость, у пород слабоводоустойчивых Кш: < 0,5, у пород, которые при насыщении водой расслаиваются и распадаются на обломки Кш: = 0.
Размягчаемость грунтов является косвенным показателем их способности сопротивляться выветриванию и воздействию замерзающей воды. Все сильно
размягчающиеся породы быстро выветриваются и не обладают значительной морозо-стойкостью.[1]
Для определения размягчаемости белого писчего мела проводились испытания на одноосное сжатие с образцами цилиндрической формы при примерно одинаковом отношении h/d = 2. Всего было испытано более 10 образцов в воздушно-сухом состоянии и более 30 образцов после водопоглощения. [2]
Испытания на одноосное сжатие проводились Овчинниковым А.В. в лаборатории механических свойств горных пород Центра инженерных изысканий СПГГИ и в лабораториях НИУ «БелГУ»: в лаборатории механических испытаний ЦКП «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» и в лаборатории механики грунтов кафедры инженерной геологии и гидрогеологии.
Им испытывались образцы мела массивной текстуры. Средние значения физических характеристик исследуемых образцов составили следующие значения:
- влажность на границе текучести Wl = 34,03 %;
- влажность на границе раскатывания Wp = 23,18 %;
- число пластичности IP = 10,85 %;
- плотность в воздушно-сухом состоя-н ии pd = 1,35 г/см3;
- плотность твердых частиц ps = 2,70
г/см3;
- коэффициент пористости e = 1,00 д.е.;
© ®
Содержимое этой работы может использоваться в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 4.0. Любое дальнейшее распространение этой работы должно содержать указание на автора (ов) и название работы, цитирование в журнале и DOI.
- пористость п = 50,2 %;
- плотность после водопоглощения р = 1,85 г/см3;
- влажность после водопоглощения W = 36,00 %;
- коэффициент водонасыщения Sr = 0,97 д.е.
Влажность образцов после 5-суточного водопоглощения составила 35,4 % (р = 1,84 г/см3; Sr = 0,96), после 50 сут. -38,2 % (р = 1,86 г/см3; Sr = 1,0).[4]
Высушенные и взвешенные образцы мела укладывались Овчинниковым А. В. в емкость с дистиллированной водой. При этом уровень воды в емкости поддерживали выше верха образцов не менее 2 см. В таком положении образцы выдерживали в воде 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 45 и 50 сут. По каждому временному промежутку выдерживали не менее 3 образцов.
В процессе водопоглощения 2 образца раскололись на две половины по трещине, у двух образцов на поверхности образовались каверны диаметром до 1 см.
После водопоглощения образцы вынимали из воды, обтирали, взвешивали, вычисляли водопоглощение и проводили испытания на одноосное сжатие для определения предела их прочности Ясж, МПа.
Результаты одноосных испытаний мела для определения предела прочности на сжатие Ясж оказались следующими (рис. 1):
- в воздушно-сухом состоянии Ясж = 2,28 МПа; 2 сут. водопоглощения Ясж = 1,10 МПа; 5 сут. - 0,83 МПа; 10 сут. - 0,83 МПа; 15 сут. - 0,79 МПа; 20 сут. - 0,78 МПа; 25 сут. - 0,77 МПа; 30 сут. - 0,76 МПа; 40 сут. - 0,68 МПа; 45 сут. - 0,66 МПа; 50 сут. - 0,64 МПа.
2.5
о
т 0.5
с
О J-.-.-.-.-.-
0 10 20 30 40 50 60
Время (. сутки
Рис. 1. Зависимость предела прочности на сжатие мела от времени водопоглощения
При погружении мела с естественной структурой в воду он не размокает, оказывается вполне водостойким и является влагоемким. Он не теряет свою связность и не превращается в рыхлую массу. В сухом состоянии мел жадно впитывает воду, и уже в течение первых суток и даже менее, достигает влажности примерно 35 %. При дальнейшем водопоглощении его влажность увеличивается незначительно. Лишь при длительном водопоглощении (более 50 сут.) влажность может составить более 38 %. Выявлено, что применение последующего искусственного водонасыщения в вакуумной камере приводит к дополнительному увеличению влажности, но уже незначительно (не более 1 %).
Р езультаты водонасыщения, полученные Овчинниковым А.В., хорошо соотносятся с результатами определения эффективной пористости мела. Эффективная пористость была определена с помощью поро-зиметра ТР1-219 в специализированной лаборатории «Повышение нефтеотдачи пластов» Санкт-Петербургского горного института. Среднее значение эффективной пористости составило 36,75 %.
Механическая прочность образцов мела при замачивании снижается в 2,5...3 раза, зависит от времени водонасыщения, и, следовательно, коэффициент размягчаемости в процессе водонасыщения во времени уменьшается. После 5 сут. водонасыщения он составил 0,36, а на 51 сут. - 0,28 [3].
По результатам одноосных испытаний получе ны типичные диаграммы (рис. 2), кот о р ы е наглядно иллюстрируют масштаб из мене ния прочности мела при водонасыще-нии. Для воздушно-сухого состояния показано одно из максимальных значений прочности.
Заключение. Снижение прочности мела при водонасыщении обусловлено в основном проявлением эффекта Ребиндера -ослаблением или разрушением структурных связей на контактах структурных элементов породы под действием внедряющихся прослоек смачивающей адсорбционно-активной жидкости. Вода, проявляющая себя для большинства горных пород как адсорбционно-активная жидкость, а также
растворенные в ней поверхностно-активные вещества обусловливают более низкое, чем на границе с воздухом, поверхностное натяжение (свободную поверхностную энергию) твердой части грунта и тем самым облегчают развитие этой поверхности, т.е. способствуют диспергированию и увеличению удельной поверхности при разрушении. Кроме того, молекулы воды, проникая в трещины и контактные зазоры, адсорбируются на поверхности стенок трещин, препятствуя их смыканию и способствуя их развитию в тупиковой части. Все этот приводит к снижению прочности системы, уменьшению долговечности, повышению пластичности, увеличению и облегчению диспергирования.
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.СС5 0,03 0035 Относит «Л к К» I «ртиильмл» дсфорн лцил Eps1
Рис. 2. Типичные диаграммы результатов одноосных испытаний образцов мела: 1 - в воздушно-сухом состоянии; 2 - водопоглощение 2 сут; 3 - 5 сут; 4 - 50 сут.; X - ступень разрушения образца
Таким образом, белый писчий мел по коэффициенту размягчаемости является слабоводоустойчивой породой, слабо сопротивляется процессам выветривания и не обладает морозостойкостью.
Литература
1. Черныш А.С. Специфические свойства просадочных грунтов. Белгород: Изд-во БГТУ им. В. Г. Шухова, 2015. 132 с.
2. Черныш А.С., Куликов Г.В., Яковлев Е.А. Инструкция по повышению устойчивости оснований инженерных сооружений механическими методами в региональных условиях. Белгород: Изд-во БГТУ им. В. Г. Шухова, 2016. 78 с.
3. Черныш А.С., Губарев С.А. Учет реологических особенностей грунта // Вектор ГеоНаук. 2018. Т.1. №1. С. 5-7.
4. Определение коэффициента размягчаемости белого писчего мела. Режим доступа: https://ggf.bsu.edu.ru/Conferences/ Conf 2011/Materials/Ovchinnikov.htm.
5. Сергеев С.В., Овчинников А.В. Оценка масштабного эффекта белого писчего мела КМА // Региональные геосистемы. 2012. №3 (122).
Контактные данные:
Черныш Александр Сергеевич, эл. почта: gkadastr@maii.ru Губарев Сергей Александрович, эл. почта: gubarev.sereja@yandex.ru
© Черныш А.С., Губарев С.А., 2020
DETERMINATION OF THE COMPRESSIVE STRENGTH OF THE STUDIED CHALK SAMPLE FROM THE TIME OF WATER ABSORPTION, USING A UNIAXIAL COMPRESSION DEVICE
A.S. Chernysh, S.A. Gubarev*
Belgorod state technological university named after V.G. Shukhov, Belgorod, Russia * E-mail: gubarev. sereja@yandex. ru
Abstract. This article analyzes an experimental study of a chalk sample for the compressive strength of water absorption time
Keywords: chalk, softening, strength, uniaxial compression, water absorption.
References
1. Chernysh, A.S. Specificheskie svojstva prosadochnyh gruntov [Specific properties of subsidence soils]. Belgorod: Izd-vo BGTU im. V.G. Shuhova, 2015. 132 p. (rus)
2. Chernysh, A.S., Kulikov, G.V., Ya-kovlev, E.A. Instrukciya po povysheniyu ustojchivosti osnovanij inzhenernyh sooru-zhenij mekhanicheskimi metodami v regional'n-yh usloviyah [ instructions for improving the stability of the foundations of engineering structures by mechanical methods in regional conditions]. Belgorod: Izd-vo BGTU im. V.G. Shuhova, 2016. 78 p. (rus)
3. Chernysh A.S., Gubarev S.A. Uchet reologicheskih osobennostej grunta [Given the rheological characteristics of the soil] // Vector of Geosciences. 2018. 1(1). Pp. 5-7. (rus)
4. Opredelenie koefficienta razmyagchae-mosti belogo pischego mela [determination of the softening coefficient of white writing chalk]. Rezhim dostupa: https://ggf.bsu.edu.ru/ Conferences/Conf_2011/Materials/ Ovchinnikov.htm. (rus)
5. Sergeev, S.V., Ovchinnikov, A.V. Ocenka masshtabnogo effekta belogo pischego mela KMA [Evaluation of the scale effect of white writing chalk KMA] // Regional'nye geo-sistemy. 2012. 3 (122). (rus)
Contacts:
Alexander S. Chernysh, gkadastr@maii.ru Sergey A. Gubarev, gubarev.sereja@yandex.ru
© Chernysh, A.S., Gubarev, S.A., 2020
Черныш А.С., Губарев С.А. Определение предела прочности на сжатие исследуемого образца мела от времени водопоглощения, прибором одноосного сжатия // Вектор ГеоНаук. 2020. Т.3. №3. С. 27-30. DOI: 10.24411/2619-0761-2020-10028.
Chernysh, A.S., Gubarev, S.A., 2020. Determination of the compressive strength of the studied chalk sample from the time of water absorption, using a uniaxial compression device. Vector of Geosciences. 3(3). Pp. 27-30. DOI: 10.24411/2619-0761-2020-10028.
