Оценка долговечности природного камня

Автор: Моторный Николай Иванович

Журнал: Горные науки и технологии @gornye-nauki-tekhnologii

Статья в выпуске: 3, 2012 года.

Бесплатный доступ

В статье приводится информация об итогах исследований долговечности каменной облицовки в фасадах общественно значимых зданий и сооружений г.Москвы, описаны методы оценки остаточного ресурса камня, приводятся уточненные таблицы и номограмма для определения остаточного ресурса мячковского известняка.

Лабрадорит, мрамор, известняк, долговечность, ультразвуковой импульс, динамическая прочность, кажущаяся влажность, каменная облицовка

Короткий адрес: https://sciup.org/140215480

IDR: 140215480

Текст научной статьи Оценка долговечности природного камня

«Все течет. Все изменяется» – этот постулат древнегреческого философа Гераклита актуален и для природного камня. С течением времени камень изменяется. Под воздействием температуры минералы, слагающие горную породу, расширяются или сжимаются неравномерно. В зернах минералов появляются дефекты сначала на уровне кристаллической решетки, переходящие, затем, в микротрещины. Расшатываются связи между зернами. По микротрещинам в камень проникают химические вещества, происходят химические реакции. Камень начинает менять цвет, изменяется его первоначальный минеральный состав и, со временем, он разрушается.

Изменения в камне приводят и к изменениям его физикомеханических свойств, которые могут быть зафиксированы лабораторными исследованиями. В случаях изучения изменений природного камня в изделиях, в частности, это относится к облицовочному камню, такие исследования должны носить неразрушающий характер. Для этих целей могут быть использованы специальные приборы, не наносящие ущерб камню в процессе измерений.

В Отделе облицовочных материалов из природного камня института ФГУП ВНИПИИстромсырье для целей неразрушающего контроля изделий из природного камня были приобретены и используются несколько приборов. Это:

o измеритель времени распространения ультразвука, Пульсар-1.2;

o измеритель прочности строительных материалов универсальный, Оникс-2.5;

o измеритель влажности, Вимс-2.

Прибор Пульсар-1.2 использовался нами для определений изменений скорости распространения Ультразвукового импульса по камню в зависимости от времени эксплуатации этого камня. Основой для использования этого прибора послужило утверждение, что происходящие с течением времени в камне изменения его физико-механических свойств отражаются на скорости прохождения через камень УЗ импульса.

Прибор Оникс-2.5 позволяет определить поверхностную динамическую прочность природного камня и оценить изменения этого параметра с течением времени.

Прибор Вимс-2 использовался нами для определения кажущейся влажности камня, а также для сравнительной оценки характера водонасыщения и водоотдачи при высыхании изделий из камня. Теоретическими предпосылками использования этого прибора явилось утверждение, что с течением времени пористость камня увеличивается и, значит, увеличивается его водопоглощение (кажущаяся влажность).

Оценка этих трех параметров изделий из природного облицовочного камня проводилась нами на общественно значимых сооружениях г.Москвы, возраст каменной облицовки которых можно было установить достаточно точно. Объектом исследований были выбраны лабрадорит головинский, мрамор коелгинский и известняк мячковский - как облицовочные камни, широко использовавшиеся на стройках Москвы в течение длительного периода времени. Поскольку для исследований были выбраны здания и сооружения с отличающимися сроками эксплуатации каменной облицовки, полученные данные, после их статистической обработки, позволили установить зависимость значений этих трех параметров от времени эксплуатации каждого из видов камня [1].

Установлено, что существует достаточно тесная связь скорости распространения ультразвукового импульса и срока службы камня, которая составляет, в зависимости от типа камня, от 0,99998 для известняков, до 0,91864 по лабрадориту. Коэффициент корреляции значений этих параметров для мрамора составил 0,9542. По полученным данным построены графики таких зависимостей. В качестве примера приводится график по известняку (рис. 1).

Рис. 1. График зависимости скорости распространения ультразвукового импульса по мячковскому известняку от срока его службы.

По таким графикам можно определить максимальный срок службы камня, если знать начальное и критическое значения скорости УЗ импульса. Начальное значение скорости УЗ импульса, т.е. при нулевом сроке эксплуатации изделия, может быть определено путем снятия показаний с эталона, либо трассирования линии графика до пересечения с осью У (срок службы камня 0 лет). Критические значения параметров нами были получены из введенных условий. Для известняка и лабрадорита это снижение показателя скорости УЗИ более, чем на 25-30%, а для мрамора -минимальные значения скорости УЗИ деталей без внешних признаков разрушений, но с мучнистым выветриванием. Продлив график до пересечения его с критическими значениями параметра, можем определить максимальный срок службы изделий из этого вида камня.

В нашем примере, для мячковского известняка, максимальный срок службы составил 155 лет. Максимальный срок службы коелгинского мрамора определен в 90 лет, головинского лабрадорита - 230 лет (табл. 1):

Таблица 1.

Тип камня	Оцениваемый параметр	Коэффициен т корреляции со временем эксплуатации	Значение параметра на начальной стадии эксплуатации , м/сек	Критически е значения параметра, м/сек	Расчетные значения долговечност и по скорости УЗИ, лет
Известняк мячковский	скорость распространени я ультразвукового импульса (УЗИ)	(-)0,99999 обратная зависимость	4085	3076	155
Мрамор коелгинский	- // -	(-)0,95416	6310	3400	90
Лабрадорит головински й	- // -	(-)0,91864	7032	4922	230

С помощью полученной формулы зависимости можно рассчитать, в каждом конкретном случае, остаточный ресурс службы камня, зная значение скорости УЗИ (табл. 2).

Аналогичные зависимости со сроком службы каменной облицовки были установлены нами для поверхностной динамической прочности и кажущейся влажности, которые замерялись по тем же объектам, что и скорости УЗ импульса. Теснота связи этих параметров устанавливалась на основе статистической обработки полученных данных и их значения приводятся в табл. 3:

Таблица 2.

Скорость распространения УЗИ	Срок службы известняка, лет	Остаточный ресурс камня	Формула зависимости
4085	0	155	К? ОО о + X о SO II
4035	8	147
3984	16	140
3934	23	132
3883	31	124
3833	39	116
3783	47	109
3732	54	101
3682	62	93
3631	70	85
3581	78	78
3530	85	70
3480	93	62
3430	101	54
3379	109	47
3329	116	39
3278	124	31
3228	132	23
3177	140	16
3127	147	8
3076	155	0

Таблица 3.

Тип камня	Оцениваемый параметр	Коэффицие нт корреляции со временем эксплуатаци и	Оценив аемый парамет р	Коэффиц иент корреляц ии со временем эксплуата ции	Оцениваем ый параметр	Коэффи циент корреля ции со времене м эксплуат ации
Известн як мячковс кий	скорость распространен ия ультразвуковог о импульса (УЗИ)	(-)0,99999 обратная зависимость	динами ческая прочнос ть	(-)0,71475	кажущаяся влажность	0,97799
Мрамор коелгин ский	- // -	(-)0,95416	- // -	(-)0,8529	- // -	0,91342
Лабрадо рит головин ский	- // -	(-)0,91864	- // -	(-)0,87758	- // -	0,75351

По полученным данным нами построены графики зависимостей от срока службы каменной облицовки значений поверхностной динамической прочности и кажущейся влажности. После аппроксимации графиков, также как и для значений скорости УЗ импульса, составлены таблицы остаточного ресурса службы камня.

Условия эксплуатации каменной облицовки могут значительно отличаться, а, значит, при одних и тех же сроках службы, появившиеся в камне изменения, будут иметь различия. Это, несомненно, отразится и на значениях измеряемых параметров. В затененных участках приоритет будет иметь морозное выветривание, что ведет к снижению динамической прочности, а на солнечной стороне - физическое выветривание, сопровождающееся увеличением микротрещиноватости и пористости камня, что отразится на скоростях УЗ импульса. В результате, по каждому объекту, мы можем получить три разные цифры остаточного ресурса камня.

Для получения достоверного и более точного результата, необходимо рассчитать среднюю составляющую величину трех полученных значений остаточного ресурса камня. Поскольку теснота связи каждого из трех определяемых параметров со сроком службы каменной облицовки разная, разной будет и весомость каждого из трех исходных слагаемых. Вследствие этого, результирующая трех замеров должна высчитываться как среднеприведенная, с учетом весомости каждого вида определений. Принцип расчета в этом случае состоит из нескольких этапов. В качестве примера, проведем расчет среднеприведенного значения остаточного ресурса известняка, при скорости УЗИ 3600 м/с (80 лет), динамической прочности 25,0 (105 лет), влажности 10,0 (64 года) с учетом их весомостей: УЗИ -0,999985867=1, динамической прочности- 0,71475=0,7, влажности-0,977990374=1.

1. 1+0,7+1=2,7
2. 1 узи :2,7=0,37
3. 0,7 дп :2,7=0,26
4. 1 кв :2,7=0,37
5. 80×0,37+105×0,26+64×0,37=81 год

Расчет приведенного остаточного ресурса мячковского известняка, в зависимости от скорости ультразвукового импульса, динамической прочности и весомости параметров приводится в нижерасположенной табл. 4. Значение остаточного ресурса камня с учетом третьего параметра -кажущейся влажности, может быть определено по табл. 5.

Для экспресс-оценки остаточного ресурса камня могут быть использованы номограммы, которые составлены для каждого вида камня (рис. 2). Расхождения в определении остаточного ресурса камня по таблицам и по номограммам не превышают одного года, что вполне приемлемо для инженерных расчетов.

Таблица 4.

	УЗИ м/с	4100	4050	4000	3950	3900	3850	3800	3750	3700	3650	3600	3550	3500	3450	3400	3350	3300	3250	3200	3150	3100	3076
ДП МПа	Тост.	157	150	142	134	127	119	111	104	96	88	80	73	65	57	50	42	34	27	19	11	4	0
30,5	159	158	153	149	144	140	135	131	126	122	118	113	109	104	100	95	91	86	82	77	73	68	66
30,0	154	156	151	147	142	138	133	129	124	120	115	111	107	102	98	93	89	84	80	75	71	66	64
29,5	149	154	149	145	140	136	131	127	122	118	113	109	104	100	96	91	87	82	78	73	69	64	62
29,0	144	152	147	143	138	134	129	125	120	116	111	107	102	98	93	89	85	80	76	71	67	62	60
28,5	139	150	145	141	136	132	127	123	118	114	109	105	100	96	91	87	82	78	74	69	65	60	58
28,0	134	148	143	139	134	130	125	121	116	112	107	103	98	94	89	85	80	76	71	67	63	58	56
27,5	129	146	141	137	132	128	123	119	114	110	105	101	96	92	87	83	78	74	69	65	60	56	54
27,0	124	144	139	135	130	126	121	117	112	108	103	99	94	90	85	81	76	72	67	63	58	54	52
26,5	119	142	137	133	128	124	119	115	110	106	101	97	92	88	83	79	74	70	65	61	56	52	50
26,0	115	139	135	131	126	122	117	113	108	104	99	95	90	86	81	77	72	68	63	59	54	50	48
25,5	110	137	133	128	124	120	115	111	106	102	97	93	88	84	79	75	70	66	61	57	52	48	46
25,0	105	135	131	126	122	117	113	109	104	100	95	91	86	82	77	73	68	64	59	55	50	46	44
24,5	100	133	129	124	120	115	111	106	102	98	93	89	84	80	75	71	66	62	57	53	48	44	42
24,0	95	131	127	122	118	113	109	104	100	95	91	87	82	78	73	69	64	60	55	51	46	42	40
23,5	90	129	125	120	116	111	107	102	98	93	89	84	80	76	71	67	62	58	53	49	44	40	38
23,0	85	127	123	118	114	109	105	100	96	91	87	82	78	73	69	65	60	56	51	47	42	38	35
22,5	80	125	121	116	112	107	103	98	94	89	85	80	76	71	67	62	58	54	49	45	40	36	33
22,0	75	123	119	114	110	105	101	96	92	87	83	78	74	69	65	60	56	51	47	43	38	34	31
21,5	71	121	117	112	108	103	99	94	90	85	81	76	72	67	63	58	54	49	45	40	36	32	29
21,0	66	119	115	110	106	101	97	92	88	83	79	74	70	65	61	56	52	47	43	38	34	29	27
20,5	61	117	113	108	104	99	95	90	86	81	77	72	68	63	59	54	50	45	41	36	32	27	25
20,0	56	115	111	106	102	97	93	88	84	79	75	70	66	61	57	52	48	43	39	34	30	25	23
19,5	51	113	108	104	100	95	91	86	82	77	73	68	64	59	55	50	46	41	37	32	28	23	21
19,0	46	111	106	102	97	93	89	84	80	75	71	66	62	57	53	48	44	39	35	30	26	21	19
18,5	41	109	104	100	95	91	86	82	78	73	69	64	60	55	51	46	42	37	33	28	24	19	17
18,0	36	107	102	98	93	89	84	80	75	71	67	62	58	53	49	44	40	35	31	26	22	17	15
17,5	31	105	100	96	91	87	82	78	73	69	64	60	55	51	47	42	38	33	29	24	20	15	13
17,0	26	103	98	94	89	85	80	76	71	67	62	58	53	49	44	40	36	31	27	22	18	13	11
16,5	22	101	96	92	87	83	78	74	69	65	60	56	51	47	42	38	33	29	25	20	16	11	9
16,0	17	99	94	90	85	81	76	72	67	63	58	54	49	45	40	36	31	27	22	18	14	9	7
15,5	12	97	92	88	83	79	74	70	65	61	56	52	47	43	38	34	29	25	20	16	11	7	5
15,0	7	95	90	86	81	77	72	68	63	59	54	50	45	41	36	32	27	23	18	14	9	5	3
14,5	2	93	88	84	79	75	70	66	61	57	52	48	43	39	34	30	25	21	16	12	7	3	1
14,3	0	92	87	83	78	74	69	65	60	56	51	47	42	38	33	29	25	20	16	11	7	2	0

Таблица 5.

Влажнос ть, %	Тост.	155	150	145	140	135	130	125	120	115	110	105	100	95	90	85	80	75	70	65	60	55	50	45	40	35	30	25	20	15	10	5	0
7,0	156	156	152	149	146	143	140	136	133	130	127	124	120	117	114	111	108	105	101	98	95	92	89	85	82	79	76	73	70	66	63	60	57
7,2	150	153	150	147	144	141	137	134	131	128	125	121	118	115	112	109	106	102	99	96	93	90	86	83	80	77	74	71	67	64	61	58	55
7,4	144	151	148	145	142	138	135	132	129	126	122	119	116	113	110	106	103	100	97	94	91	87	84	81	78	75	71	68	65	62	59	56	52
7,6	138	149	146	142	139	136	133	130	127	123	120	117	114	111	107	104	101	98	95	92	88	85	82	79	76	72	69	66	63	60	57	53	50
7,8	132	147	143	140	137	134	131	128	124	121	118	115	112	108	105	102	99	96	92	89	86	83	80	77	73	70	67	64	61	57	54	51	48
8,0	126	144	141	138	135	132	128	125	122	119	116	113	109	106	103	100	97	93	90	87	84	81	78	74	71	68	65	62	58	55	52	49	46
8,2	120	142	139	136	133	129	126	123	120	117	113	110	107	104	101	98	94	91	88	85	82	78	75	72	69	66	63	59	56	53	50	47	43
8,4	113	140	137	134	130	127	124	121	118	114	111	108	105	102	99	95	92	89	86	83	79	76	73	70	67	64	60	57	54	51	48	44	41
8,6	107	138	135	131	128	125	122	119	115	112	109	106	103	99	96	93	90	87	84	80	77	74	71	68	64	61	58	55	52	49	45	42	39
8,8	101	135	132	129	126	123	120	116	113	110	107	104	100	97	94	91	88	85	81	78	75	72	69	65	62	59	56	53	50	46	43	40	37
9,0	95	133	130	127	124	121	117	114	111	108	105	101	98	95	92	89	85	82	79	76	73	70	66	63	60	57	54	50	47	44	41	38	35
9,2	89	131	128	125	121	118	115	112	109	106	102	99	96	93	90	86	83	80	77	74	71	67	64	61	58	55	51	48	45	42	39	35	32
9,4	83	129	126	122	119	116	113	110	106	103	100	97	94	91	87	84	81	78	75	71	68	65	62	59	56	52	49	46	43	40	36	33	30
9,6	77	127	123	120	117	114	111	107	104	101	98	95	92	88	85	82	79	76	72	69	66	63	60	57	53	50	47	44	41	37	34	31	28
9,8	71	124	121	118	115	112	108	105	102	99	96	92	89	86	83	80	77	73	70	67	64	61	57	54	51	48	45	42	38	35	32	29	26
10,0	64	122	119	116	113	109	106	103	100	97	93	90	87	84	81	78	74	71	68	65	62	58	55	52	49	46	43	39	36	33	30	27	23
10,2	58	120	117	114	110	107	104	101	98	94	91	88	85	82	78	75	72	69	66	63	59	56	53	50	47	43	40	37	34	31	28	24	21
10,4	51	117	114	111	108	104	101	98	95	92	88	85	82	79	76	73	69	66	63	60	57	53	50	47	44	41	38	34	31	28	25	22	18
10,6	45	115	112	109	105	102	99	96	93	89	86	83	80	77	74	70	67	64	61	58	54	51	48	45	42	38	35	32	29	26	23	19	16
10,8	38	113	109	106	103	100	97	94	90	87	84	81	78	74	71	68	65	62	59	55	52	49	46	43	39	36	33	30	27	24	20	17	14
11,0	34	111	108	105	101	98	95	92	89	85	82	79	76	73	70	66	63	60	57	54	50	47	44	41	38	35	31	28	25	22	19	15	12
11,2	28	109	106	102	99	96	93	90	86	83	80	77	74	71	67	64	61	58	55	51	48	45	42	39	35	32	29	26	23	20	16	13	10
11,4	21	107	103	100	97	94	91	87	84	81	78	75	71	68	65	62	59	56	52	49	46	43	40	36	33	30	27	24	21	17	14	11	8
11,6	15	104	101	98	95	92	88	85	82	79	76	72	69	66	63	60	57	53	50	47	44	41	37	34	31	28	25	21	18	15	12	9	6
11,8	9	102	99	96	92	89	86	83	80	77	73	70	67	64	61	57	54	51	48	45	42	38	35	32	29	26	22	19	16	13	10	7	3
12,0	3	100	97	93	90	87	84	81	78	74	71	68	65	62	58	55	52	49	46	43	39	36	33	30	27	23	20	17	14	11	7	4	1
12,1	0	99	96	92	89	86	83	80	76	73	70	67	64	60	57	54	51	48	45	41	38	35	32	29	25	22	19	16	13	10	6	3	0

ИЗВЕСТНЯК

о динамическая прочность, МПа

остаточный ресурс, годы

4000 3500 3000

, условная влажность, % скорость УЗ импульса, м/сек ’

Рис. 2. Номограмма определения остаточного ресурса известняка.

Пример:

V=3600 м/с; σ=25 МПа; W=10%

Полученное значение: Т=81 год.

Список литературы Оценка долговечности природного камня

Сычев Ю.И., Моторный Н.И., Левковский Г.Л. Разработка и внедрение методов экспресс-оценки состояния зданий и сооружений с каменной облицовкой. Отчет по теме №8/3-175н-07. -М.: ФГУП ВНИПИИстромсырье, 2008.

Статья научная