Лабораторные работы проводятся с целью изучения качественного, вещественного состава и исследования физико-механических свойств полезного ископаемого с определением прочностных, физико-механических показателей для создания сырьевой базы и использования в качестве сырья для производства облицовочного камня.
Изучение технологических свойств исходной горной породы проводится с детальностью, обеспечивающей получение исходных данных, достаточных для проектирования горнодобывающего предприятия и разработки рациональной технологии для производства природного камня плитняка, в том числе златолита, кварцита, серицита, сланца с целью использования их в качестве сырья для производства строительного облицовочного камня.
Первым делом составляются программы и методики испытаний облицовочного камня в соответствии с типовыми программами и методиками лабораторных испытаний нерудных полезных ископаемых при производстве геологоразведочных работ и техническим заданием по изучению нерудных полезных ископаемых.
Обычно испытания исходной горной породы, как облицовочного камня, могут проводиться как по полной, так и по сокращенной, также возможны оба варианта – полная и сокращенная программа в соответствии с требованиями ГОСТ 9479-2011 «Блоки из горных пород для производства облицовочных, архитектурно-строительных, мемориальных и других изделий. Технические условия»; ГОСТ 9480–2012 «Плиты облицовочные из природного камня. Технические условия»; ГОСТ 4001-2013 «Камни стеновые из горных пород. Технические условия».
Сокращенная программа испытаний исходной горной породы чаще всего включает в себя следующие показатели:
— определение средней плотности природного камня;
— определение истинной плотности;
— определение пористости натурального камня;
— определение водопоглощения.
Полная программа испытаний исходной горной породы включает следующие показатели:
— определение плотности (средней и истинной);
— определение пористости строительного камня;
— определение водопоглощения;
— определение предела прочности при сжатии в сухом и водонасыщенном состояниях;
— определение морозостойкости камня;
— определение снижения прочности после испытаний на морозостойкость;
— определение кислотостойкой камня для облицовки и мощения;
— определение сопротивление удару на копре;
— определение истираемости на круге;
— определение декоративности – не менее важный показатель у природного облицовочного камня и декоративного ландшафтного камня.
По программе инженерно-геологических изысканий горной породы (природного камня) проводятся следующие испытания:
— определение средней и истинной плотности;
— определение пористости;
— определение водопоглощения;
— определение предела прочности при сжатии в сухом и водонасыщенном состояниях, а также с определением снижения прочности;
— определение коэффициента размягчения;
— определение предела прочности при разрыве;
— определение внутреннего угла трения;
— определение удельного сцепления.
Все лабораторные работы по испытанию горной породы в качестве облицовочного камня проводятся по методикам в соответствии с требованиями ГОСТ 30629-2011 «Материалы и изделия облицовочные из горных пород. Методы испытаний»
Определение физико-механических свойств камня:
— средняя плотность определяется как среднеарифметическое значение результатов определения средней плотности пяти образцов путём измерения массы единицы объёма образцов с порами;
— истинная плотность определяется пикнометрическим методом;
— пористость камня плитняка, сланца и валунов определялась расчетным путем по установленным значениям средней плотности и истинной;
— водопоглощение определяется, как среднеарифметическое значение результатов определения водопоглощения пяти образцов путём сравнения образцов горной породы в насыщенном водой состоянии и после высушивания;
— предел прочности при сжатии горной породы определялся путем измерения максимальной разрушающей нагрузки пресса, приложенной к торцам образцов породы в сухом, водонасыщенном состоянии и после испытания морозостойкости;
— снижение прочности при сжатии определяется разностью между пределами прочности при сжатии в сухом и водонасыщением состоянии и после испытания морозостойкости горной породы;
— морозостойкость образцов определяется по потерям массы образцов, испытанных ускоренным методом при 15 циклах попеременного выдерживания в насыщенном сернокислом натрии и высушивания в сушильном шкафу.
Стойкость горной породы (камня) к воздействию окружающей среды оценивается по результатам испытаний горной породы на кислотостойкость. Сущность метода заключается в определении потери массы образцов горной породы карбонатного состава, прошедших испытание в течение 40 суток в растворе серной кислоты с pH 3,5.
Интенсивность механического воздействия исходной горной породы определяется:
— по показателю сопротивления ударным воздействиям, который определялся на копре;
— по показателю истираемости, который определялся после испытания образцов на круге истирания.
Декоративность горной породы оценивается по способности к полировке камня, а также по текстуре и цвету самого природного камня. Оценка декоративности проводится по полированной фактуре образцов согласно требованиям п.62. ГОСТ 30629—2011. После установления предварительной декоративности по всем признакам проводится предварительная оценка декоративности без учета признаков, отрицательно влияющих на декоративность. Полученная суммарная оценка по каждому показателю декоративности уточняется путём ввода соответствующих корректирующих коэффициентов, учитывающих влияние отрицательных признаков на данный показатель декоративности. Показатель декоративности — Ад определяется по квалиметрической методике, как сумма бальных оценок по каждому признаку, скорректированных понижающими коэффициентами (по 32ух бальной системе). Горной породе в зависимости от итоговой оценки декоративности присваивается класс декоративности: от 1 класса (высокодекоративного — Ад более 32 баллов) до 4 класса (недекоративного — Ад менее 15 баллов) в соответствии с требованиями п.5.1.5. ГОСТ 9479—2011 «Блоки из горных пород для производства облицовочных, архитектурно-строительных, мемориальных и других изделий, Технические условия».
Все лабораторные работы по испытанию облицовочного камня проводятся в соответствии с требованиями методик ГОСТ 3069-2011 «Материалы и изделия облицовочные из горных пород, Метолы испытаний», ГОСТ 31436 -2011 «Породы горные скальные для производства щебня для строительных работ. Технические условия».
Средняя плотность исходной горной породы – в г/см3 определяется по образцам произвольной формы для испытаний по сокращенной программе гидростатическим завешиванием, образцам — цилиндрам, изготовленным из керна горных пород диаметром — 72 мм, испытанных по полной программе методом непосредственных измерений и вычислений по формуле, где плотность = масса образца, поделенная на объём образца.
Истинная плотность камня для мощения, облицовки и ландшафта определяется пикнометрическим методом в соответствии с ГОСТ 30629-2011. Для испытания используются в основном образцы, на которых определяется средняя плотность. Пробу измельчают до крупности менее 1.25 мм. Навеску массой 30 г высыпают в чистый высушенный пикнометр и наливают дистиллированную воду в таком количестве, чтобы пикнометр был заполнен не более чем на половину своего объема. Пикнометр ставят на песчаную или водяную баню и кипятят его содержимое 15-З0 минут для удаления пузырьков воздуха. После удаления воздуха пикнометр охлаждают до комнатной температуры, доливают до метки дистиллированной водой и взвешивают. Освобождают пикнометр от содержимого, наполняют до метки дистиллированной водой комнатной температуры и вновь взвешивают. И затем истинную плотность вычисляют по формуле, прописанной в ГОСТ.
Волнопоглощение определялось путем сравнения массы образцов горной породы в насыщенном водой состоянии и после высушивания образцов. После взвешивания образцы укладывают в сосуд с водой, имеющей температуру 20+-5 °С, в один ряд так, чтобы уровень был выше верха образцов на 20 мм. Образцы выдерживают в воде в течение 48 часов, достают из сосуда, удаляют с поверхности влагу мягкой тканью и взвешивают. Массу воды, вытекшей из пор образца на чашку весов, включают в массу насыщенного водой образца камня.
Пористость горной породы определяют на основании предварительно установленных значений истинной и средней плотности горной породы.
Для определения прочностных свойств горных пород у златолита, кварцита, серицита изготавливают образцы-цилиндры и образцы произвольной формы по пять в каждой пробе. Прочность при сжатии определялась на гидравлическом прессе с усилием до 500 kN с точностью 0,1 kN, и на прессе одноосного сжатия с усилием до 50 kN. Образец устанавливают в центре нижней подвижной плиты, совмещая оси образца с центром верхней плиты пресса, которая должна плотно прилегать по всей торцевой грани образца. При испытании нагрузка на образец увеличивалась непрерывно и равномерно со скоростью от 0.3 до 0,5 МПа в секунду.
Сущность метола испытания на прессе одноосного сжатия заключается в измерении разрушающей силы, приложенной к образцу произвольно формы через стальные встречно направленные сферические инденторы.
Определение морозостойкости заключается в определении прочности образцов камня после 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном растворе сернокислого натрия. Далее вычисления производят по формулам исходя из полученных данных в исследовании. Один цикл замораживания и оттаивания длится порядка 48 часов.
Инженерно-геологические испытания горных пород проводятся в соответствии с требованиями ГОСТ 21155.2-84 «Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии» и ГОСТ 21153.3-85 «Породы горные, Методы определения предела прочности при одноосном растяжении». Данный метод предназначен для определения предела прочности породы при одноосном растяжении в направлении его оси — заданном относительно сложения (слоистости) камня. Сущность метода заключается в проведении испытаний образцов произвольной формы по измерению разрушающей силы при продольном растяжении образца через стальные обоймы устройства. Обработка результатов испытания предела прочности при одноосном сжатии и растяжении при инженерно-геологических изысканий торной породы ведется по установленным испытаниям образцов горной породы по ГОСТ 21153-84 и ГОСТ 21153.3-85. После определения предела прочности образца при сжатии и растяжении строится линейный график и паспорт прочности горной породы. Для этого используется теория Мора и линейная аппроксимация для огибающих кругов Мора.
Данные принципы и методы испытаний камня направлены на получение точных данных о природном камне, используемом в строительных и ландшафтных работах.