Ритерии структурной поврежденности облицовочного камня в условиях экстремальных термических воздействий Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Д. А. АЗИЕВ Московский государственный горный университет

Критерии структурной поврежденности облицовочного камня в условиях экстремальных термических воздействий

Эксплуатация облицовочного камня, используемого как для наружной, так и для внутренней отделки зданий и сооружений, происходит в условиях влияния агрессивных сред и переменных физических полей. Результатом этого является постепенное ухудшение декоративных и физикомеханических свойств камня. Наиболее сильно такое ухудшение происходит при экстремальных термических воздействиях, испытываемых камнем в результате пожаров. В связи с этим актуальной является проблема контроля и прогноза степени поврежденности облицовочного камня в процессе его эксплуатации.

Анализ факторов, обуславливающих изменение физических и технологических свойств горных пород, свидетельствует о том, что наибольшей информативностью для оценки происходящих изменений обладают параметры структурного состояния полими-нерального агрегата породы [1]. Они, как известно, содержат информацию о дефектах строения и напряжениях в породе, вариации которых приводят в конечном итоге к изменению первоначальных свойств объекта. Для количественной характеристики структурного состояния используются соответствующие параметры, представляющие дефектность и неоднородность ПОЛЯ напряжений. Их количественное определение осуществляется с помощью специальных инструментальных методов (рентгеноструктурного анализа, оптической и электронной микроскопии и т. Д.) 12] .

Для примера, в табл. 1 представлены параметры количественной характеристики структурного состояния образцов мрамора Коелгинского месторождения. Как

видно из таблицы, эти параметры несут информацию о состоянии элементов строения породы и позволяют фактически оценить ее нарушенность и напряженное состояние на макро- и микроуровнях.

Таблица 1.

Параметры структурного состояния кальцита мрамора Коелгинского месторождения (в исходном состоянии)

№N1 Параметр Ед.изм. Величина

■>:Й: Остаточная относительная деформация кристаллической оти.ед. —4 2,6-10

2 Средний размер блока но заики А 340

Плотность дислокации внутри блока ЁЙ 2,7в • 10 7

4 Остаточные напряжения МПа 1,45 МО2

Г, ::: Относител ьная кон цснтрация двойников отн. ед. 0,4

Такой подход позволяет рассматривать механизмы изменения свойств пород при действии различных полей, как совокупность многоуровневых процессов изменения дефектности и напряжений.

В процессе эксплуатации облицовочный камень подвергается воздействию вещественных (жидкости и газы) и физических (механических, тепловых, радиационных и др.) полей.

В общем случае, различие и анизотропия физических свойств компонентов обуславливают изменение в полимине-ральном агрегате породы, подвергающейся физическому воздействию, неоднородного поля генетических напряжений. В результате отдельные структурные элементы породы переходят в «неустойчивое» состоя-

ние, следствием которого является изменение дефектной структуры и, соответственно, изменение физических свойств и технологических параметров.

Многостадийность происходящих изменений в породе при действии различных полей, их иерархический характер обуславливают многофакторность конечного результата. Среди большого количества обстоятельств, оказывающих влияние на кинетику протекания процесса, можно выделить главные:

• структурный тип породообразующих минералов;

• структурное состояние полимине-рального агрегата.

Изменение структурного состояния породы при тепловом воздействии начинается с перераспределения и концентрации напряжений в отдельных элементах строения.

Для многокомпонентной породы генерируемые в этом случае структурные напряжения в «к» -м минерале породы можно условно выразить следующим образом:

Ц-ф+о$•) (1)

где о^й) - усредненные напря-

жения, обусловленные мно-гокомпонентностью породы и анизотропией свойств слагающих минералов, соответственно.

Первые зависят от следующих параметров:

о^(л) = Г, <о> +

+ Г2 [(а-а)ХГ+д»(Т))], {2>

где Г}> Г2 - эффективные упругие характеристики породы, соответствующие определенным механизмам деформации;

<а>, АТ - величины макронапряжений и изменение температуры;

а,а- усредненные по объему и минералам значения тензоров теплового расширения;

ЩГ) - деформация фазового перехода «к»-го компонента.

В свою очередь, величина макронапряжения в породе может иметь не только чисто «механическую» природу, но и быть связанной, например, с температурным градиентом.

<^> = Л (К) + /2 (В^айТ) (3)

Параметры Л и Гг зависят от особенностей строения породы и условий внешнего воздействия. В случае равномерного нагрева в выражении (2) варьирует только третье слагаемое, неравномерного - второе и третье.

Значение рассчитывается с учетом дисперсии значений материальных тензоров, а именно:

а(/(а)=В1Щ +

+ В2[(а~«,у)ДГ+^1у(7’)], (4)

где В^ В2 - эффективные упругие характеристики минералов, соответствующие определенным механизмам деформирования;

а - усредненные характеристики тензора

- характеристика анизотропного деформирования при фазовом превращении « к»-го минерала.

В работе [3] можно найти данные о значениях материальных констант образующих минералов.

Приведенные выражения иллюстрируют природу неоднородности деформации минерального агрегата породы при действии теплового поля, а также объясняют тот факт, что вариация его видов и режимов позволяет существенно изменять исходное напряженное состояние структурных элементов.

Такой методический подход был опробован при рассмотрении поврежденности мрамора, подвергнутого экстремальному тепловому воздействию в условиях пожара.

Известно, что зерна кальцита обладают ярко выраженной анизотропией теплового расширения. Это - единственный минерал, который обладает отрицательными значениями соответствующего тензора.

Как известно, в нормальных условиях кальцит имеет параллельно оси г значение тензора теплового расширения 25*1(Г, град'1, а перпендикулярно оси г - 5,6 10" град'1. Очевидно, что средний коэффициент теплового расширения минерального агрегата а удовлетворяет условию:

с?°1п <а<

Расчетное значение среднего коэффициента теплового расширения равно 1,3*10' град'1, что вполне соответствует известному экспериментальному значению [4].

Таким образом, при нагреве поликри-сталлического агрегата кальцита, зерна которого имеют хаотическую ориентацию, в его структурных элементах (зернах) проявляются тепловые структурные напряжения. В частности, параллельно оси г - сжимающие, а перпендикулярно г - растягивающие.

Оценка этих напряжений, выполненная с учетом значений тензоров теплового расширения и упругости, представленных в [3], показывает, что изменение средней величины сжимающих напряжений в зерне при нагреве агрегата на один градус составляет 0,42 МПа, растягивающих - 0,29 МПа. Изменение этих напряжений при вариации температуры представлено на рис. 1.

Такая неоднородность поля взаимно уравновешивающих напряжений в агрегате кальцита вызывает появление в его зернах больших сдвиговых напряжений в направлении 45“ к оси г.

Расчеты показывают, что величина тепловых структурных напряжений даже при относительно низких температурах соиз-

мерима с пределами прочности кристаллов кальцита. Известно, что основным механизмом неупругого поведения кальцита является двойникование по (0001), (0112) и (1011). Появление сдвойникованных полос (областей) в отдельных зернах кальцита приводит к нарушениям сплошности межзеренных границ, которые распространяются вглубь зерен по плоскостям спайности. С ростом температуры увеличивается число зерен, в которых произошло двойникование и, соответственно, появилась трещина. Учитывая тот факт, что тепловые структурные напряжения уравновешивают друг друга в объеме зерен, размер возникающих микротрещин не превышает размера зерна. Таким образом, при определенной температуре нагрева тепловые структурные напряжения в отдельных зернах начинают превышать предельные критические значения, необходимые для протекания неупругой микродеформации двойникования и в отдельных зернах появляются трещины. С ростом температуры (более 180° С) число таких трещин должно расти и весь минеральный агрегат зерен кальцита будет пронизан сетью микротрещин. Одновременно с процессами, инициированными проявлением неоднородности теплового расширения компонентов, в мраморе при нагреве способно происходить изменение минерального состава.

С • Ю'т, Па

Ч

£0 /5 /О * 0

Ъг

1

(00

500

А00 Г, 9 С

Рис.1. Расчетная зависимость значений тепловых структурных напряжений В мраморе от тем* пературы.

<ж>

Согласно теории термической диссоциации карбонатов разложение кальцита на более простые молекулы (СаО и СОг) согласно реакции: СаСОз -* СаО + СОг возможно при том условии, что значение его упругости диссоциации будет больше, чем парциальное давление СО2 в окружающей среде. В обычных атмосферных условиях это происходит при температуре в пределах 810-850'С.

Однако, впоследствии, находясь в условиях естественной влажности воздуха, оксид кальция постепенно, с поверхности, переходит в Са(ОН>2, который затем, взаимодействуя с углекислым газом воздуха, переходит обратно в СаСОз.

Таким образом, о кинетике происходящих преобразований свидетельствует толщина возможно сохранившихся слоев образовавшихся минералов. Однако, нужно учитывать тот факт, что скорость происходящих при этом преобразований существенно будет зависеть от влажности. Таким образом, учитывая немонотонный характер изменений, которые могут происходить в мраморе при нагреве, следует выделить несколько возможных ситуаций, отличающихся друг от друга как по влиянию на свойства камня, так и по используемым для исследования методам анализа:

• низкотемпературное воздействие, не сопровождаемое фазовым преобразованием минерала (кальцита) (Т < 800°С);

• высокотемпературное воздействие, вызывающее термическую диссоциацию карбоната (Т > 800°С).

В первом случае основные изменения в породе связаны с тепловыми структурными напряжениями и должны проявляться в повышенной трещиноватости, сопровождающейся соответствующими изменениями параметров структурного состояния. Во втором случае должно происходить резкое снижение декоративных свойств поверхности мрамора и появление синтезированных минералов.

Для отработки предлагаемого методического подхода к исследованию влияния тепловой обработки на мрамор в качестве

объекта исследования был выбран мрамор Коелгинского месторождения. Анализировались три группы образцов, в которых первая была выбрана как исходная, а вторая и третья подвергались тепловому воздействию различной интенсивности, которую и предстояло оценить.

Рентгенографическое исследование исходных образцов, выполненное на автоматизированном дифрактометрическом комплексе, показало, что их основу составляет кальцит (СаСОз) 98%. Пиков, часто встречающихся в мраморах сопутствующих минералов: доломита, периклаза, арагонита и т. п., на рентгенограммах не обнаружено (см. рис. 2).

{£кр£_ з. грз

да,?/

ЩТ кШ £З.Ш г скд £_______зрг.

57,7$

Рис.2. Дифрактограммы различных групп образцов мрамора.

Исследования образцов с помощью оптической микроскопии показало, что в образцах второй группы сеть микротрещин еще недостаточно развита для того, чтобы они соединялись друг с другом, а в образцах третьей группы (при более интенсивном нагреве) наблюдается повсеместное сращивание трещин. Об этом, в частности, свидетельствует легкое выкрашивание отдельных зерен кальцита из агрегата.

О протекании процесса двойникования свидетельствует и изменение профилей дифракционных пиков общей картины рассеяния (рис. 3).

В целом при осуществленном тепловом воздействии произошли следующие изменения структурного состояния:

• размер блока мозаики в зернах кальцита снизился на 15 % (в образцах второй группы) и на 45% (в образцах третьей группы);

• остаточные термические напряжения в зернах мрамора в образцах второй группы возросли за счет появления «застопоренных» двойников и затем снизились в образцах третьей группы в результате их релаксации на появившихся нарушениях оплошности (трещинах);

• концентрация двойников монотонно возросла (в образце третьей группы более 60% зерен содержат двойники).

Рис.З. Интенсивность дифракционных пиков рассеяния для образцов, подвергшихся различным уровням теплового воздействия.

Таким образом, испытанное тепловое воздействие привело к разупрочнению минерального агрегата, причем это разупрочнение происходит немонотонно, наиболее существенно проявляясь при температурах, превышающих температуру нагрева образцов второй группы.

Появившийся на поверхности мрамора синтетический кальцит (образующийся

при взаимодействии Са (ОН) г с СО2 воздуха) будет иметь структурное состояние, значительно отличающееся от генетического исходного состояния кальцита в образце до теплового воздействия.

Сопоставление рентгенограмм исследованных образцов показывает, что с ростом интенсивности нагрева наблюдаются только различные остаточные изменения их структурного состояния. Это свидетельствует о том, что при тепловом воздействии не были достигнуты условия, необходимые для диссоциации (или температура нагрева была менее 810°С, или состав газовой среды в области нагрева не соответствовал условиям протекания процесса). На рис. 2 представлены фрагменты дифрактограмм, свидетельствующие об отсутствии главных линий СаО. Появление таких линий свидетельствовало бы о протекании термической диссоциации кальцита в мраморе при нагреве.

Учитывая тот факт, что в этом случае происходят структурные преобразования, кинетика которых может быть описана уравнениями диффузии для экспериментального изучения последствий и реконструкции происходящих событий, необходимо использовать соответствующий методический подход.

Таким образом, проведенный комплекс исследований подтвердил целесообразность использования параметров структурного состояния породы в качестве критериев поврежденности облицовочного камня в условиях экстремальных термических воздействии.

Автор выражает благодарность, д. т. н. Шкуратнику В. Л. и д. т. н. Зильбершмидту М. Г. за консультации и помощь при проведении экспериментальных исследований.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Новик Г. Я., Зильбершмидт М. Г. Управление свойствами пород в процессах горного производства. М., Недра, 1994.

2. Зильбершмидт м. Г., Заворыкнна Т. К. Методы анализа структурного состояния горных пород. Ч. 1, Учебное пособие. М., МІТУ, 1989.

3. Справочник физических констант горных пород. Под ред. С. Кларка, М., Мир, 1969.

4. Справочник физических свойств горных пород. Под ред. Н. 11. Мельникова, М., Недра, 1975.

© Д.А.Азиев

■А:'Л