Автореферат: Оценка качества горных пород Карелии на основе термокинетической теории разрушения твердых тел

В четвертой главе рассмотрены механизмы разрушения горной породы при дезинтеграции на щебень. Приведены результаты экспериментальных исследований физико-механических и термокинетических свойств щебня. Выполнено исследование процесса разрушения фрагмента горной породы при дроблении. Определена корреляционная зависимость дробимости (прочности) по фракциям щебня от микродефектности. Приведен метод оценки прочности и дробимости в зависимости от размера кусков материала, позволяющий оценить изменения прочности горной породы в процессе технологического передела показателями эффективной пористости и водопоглощения.

Основные результаты работы отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Прочностные свойства горных пород различных месторождений необходимо оценивать с учетом их долговечности

В естественном состоянии магматическим горным породам, как многокомпонентным неоднородным полиминеральным структурам, присущи различного рода дефекты строения и разрывы сплошности среды в виде микротрещин. В горной породе между молекулами существуют сложные взаимодействия, характеризующиеся определенными энергетическими состояниями и формами. В результате появления критических флуктуаций в поле механических напряжений происходит разрушение существующих связей с последующим образованием дефектов и микротрещин кристаллической решетки. Следовательно, долговечность представляет собой время от начала приложения нагрузки и до разрушения материала на части. В кинетической теории прочности долговечность определяется по формуле С.Н. Журкова:

, (1)

где U₀-энергия активации разрушения, Дж/моль; ₀-коэффициент, численно равный периоду тепловых колебаний атомов в кристаллической решетке, с; -структурный коэффициент (активационный объем разрушения), м³/моль; у-действующее напряжение, Па; R-универсальная газовая постоянная, Дж/мольК; Т-температура, К.

С точки зрения кинетической теории механического разрушения долговечность является фундаментальной характеристикой прочности материала и зависит от приложенного напряжения и температуры.

М.Г. Менжулиным получено соотношение для изменения микротрещиноватости среды :

,(2)

где ₀-начальная микротрещиноватость.

При переходе в новое фазовое состояние на поверхности трещин изменяется энергия упругого взаимодействия между молекулами, частота колебаний и энергия дефектов.

Изменение энергии упругого взаимодействия среды определяется в виде: микротрещиноватость горный магматический

,(3)

где V^v-удельный объем среды в кристаллическом монолитном состоянии, V^s-удельный объем среды на поверхности трещины, V^sv-изменение удельного объема среды при плавлении, и составляет

,(4)

где _--структурный коэффициент для растягивающего напряжения:

,(5)

где a₀-постоянная кристаллической решетки, N_av-число частиц, которое содержит 1 моль вещества (постоянная Авогадро), l-эффективная длина трещины.

Для трещин сдвига энергия Е_х определяется:

,(6)

где ₀-напряжение в монолитной кристаллической среде, V_пл. 0,1V₀-увеличение удельного объема в расплаве (V₀-удельный объем кристаллической среды при нормальных условиях).

Структурный коэффициент при сдвиговых нагрузках (_сд):

,(7)

где -молярная масса горной породы; -плотность материала.

Из экспериментальных исследований, проведенных сотрудниками ИГ КарНЦ РАН в разные годы, установлено, что реальная прочность горной породы зависит от размеров и количества дефектов и трещин. Это обусловлено существованием повышенного уровня напряжений в окрестностях вершин трещин по сравнению с напряжением для изотропной среды и взаимодействием смежных трещин. Для породы в естественном состоянии можно установить некоторую эффективную длину трещины , соответствующую максимуму распределения трещин по размерам, определяющую экспериментальную прочность горной породы (рис. 1).

Из графика следует, что эффективная длина естественных микротрещин составляет 0,20,3 мм.

В условиях наличия огромного количества природных концентраторов напряжений (микротрещин) в образце горной породы разрушение методом растяжения при изгибе может произойти в любой точке.

Рис. 1. Распределение микротрещин по размерам в гранитах

Для разрушения образцов горной породы в заданном сечении были искусственно созданы надрезы различного размера. Проведена оценка прочности образцов гранита с искусственно созданными надрезами и выполнено сравнение экспериментальных данных с классическими теоретическими подходами Гриффитса, Нейбера, Савина к развитию концентраторов напряжений. На рис. 2 продемонстрированы экспериментальные и расчетные зависимости прочности гранита на растяжение при изгибе от размера концентратора-надреза.

Рис. 2. Зависимость прочности гранита на растяжение от размера концентратора

Наилучшее совпадение расчетных и экспериментальных данных имеет методика Савина, на основании которой прочность на растяжение образца с концентратором определится:

,(8)

где _р-предел прочности на растяжения монолитного образца, Па; l_конц.-глубина концентратора, м; b-ширина концентратора, м; = 0,25 + 1,8-эмпирический коэффициент; -коэффициент Пуассона ( = 0,20 для гранита).

Экспериментальные исследования по определению термокинетических параметров разрушения были проведены методом растяжения при изгибе на образцах-призмах с надпилом, при котором нагрузка прикладывалась в середине образца (табл. 1).

Таблица 1 Результаты экспериментальных исследований

Наиболее предпочтительной для использования материала в дорожном строительстве и на других объектах, требующих сохранности материала длительное время, является большая величина долговечности горной породы. Данные месторождения гранитов отвечают требованиям, предъявляемым к горным породам для производства высокопрочного щебня. Необходимо отметить, что наведенная трещиноватость при промышленном переделе горных пород повлечет дополнительное снижение долговечности материала в процессе эксплуатации.

2. Степень микротрещиноватости, необходимая для оценки прочностных свойств горных пород, определяется на основе экспериментальных данных об эффективной пористости

В естественных природных условиях и при промышленном использовании горных пород для строительства дорог одним из факторов, влияющих на разрушение, является попеременное замораживание и оттаивание, с переходом через 0 С. Моделирование этого процесса позволяет проследить динамику трещинообразования и сопутствующий характер изменения физико-механических свойств горных пород. В зависимости от степени микротрещиноватости наблюдалась потеря прочности при одноосном сжатии для гранитов от 10 до 58% после двухсуточного водопоглощения и от 6 до 35% при попеременном замораживании-оттаивании. Пределы прочности скальной породы при одноосных сжатии, сдвиге и растяжении различаются приблизительно в следующей пропорции: _сж (3 - 4) _сд (3 - 4) _отр.

На рис. 3 представлено изменение параметров микротрещиноватости после испытания горных пород с нарастающим количеством циклов замораживания-оттаивания.

Рис. 3. Изменение параметров микротрещиноватости на поверхности горной породы при нарастающем количестве циклов замораживания-оттаивания: - гранит; - габбродиабаз

По мере роста нагрузки общий характер распределения микротрещин изменяется незначительно, однако наблюдается увеличение средней длины микротрещин и повышается относительное содержание крупных микротрещин (рис. 4).

Для оценки степени разрушения материала в результате воздействия процедуры замораживания-оттаивания возникает необходимость анализа параметров микротрещиноватости горной породы и, прежде всего, удельной микротрещиноватости (l_общ/S), которая наиболее полно характеризует микротрещиноватость каждого образца.

В табл. 2 приведены экспериментальные результаты изменения удельной микротрещиноватости и физико-механических свойств гранитов месторождения Летнереченское при нарастающем количестве циклов замораживания-оттаивания.

Таблица 2 Изменение физико-механических свойств и удельной микротрещиноватости гранита при замораживании-оттаивании

Примечание. В числителе дан разброс параметра, в знаменателе среднее значение параметра.

Рис. 4. Распределение концентрации микротрещин в зависимости от их длины при нарастающем количестве циклов замораживания-оттаивания

Из представленных в табл. 2 данных следует, что предел прочности при одноосном сжатии образцов после испытаний снизился на 10%, при этом удельная микротрещиноватость выросла более чем в 2,5 раза, что подтверждается ростом показателей эффективной пористости и водопоглощения.

Рост показателя эффективной пористости характеризует увеличение открытых микродефектов в горной породе, доступных для воды, и позволяет оценить влияние процессов замораживания-оттаивания на микротрещиноватость (дефектность) по всему объему образца.

Взаимозависимость удельной микротрещиноватости (Y) и эффективной пористости (X) с нарастающим количеством циклов замораживания-оттаивания продемонстрирована на рис. 5.

Рис. 5. Корреляционная зависимость удельной микротрещиноватости и эффективной пористости

Результаты расчета аппроксимируются формулой:

.(9)

Таким образом, установлено, что чем выше значения эффективной пористости, тем выше значения удельной микротрещиноватости. При этом эффективную пористость магматических горных пород можно характеризовать ее водопоглощением, поскольку 95% поглощенной воды заполняет микротрещины.

Следовательно, количество дефектов в магматических горных породах на единицу площади может быть охарактеризовано как ее микротрещиноватостью, так и эффективной пористостью (водопоглощением).

В соответствии с термокинетической теорией разрушения относительная концентрация молекул на поверхности трещин в образце определяется по формуле (2). Начальную относительную концентрацию микротрещин приближенно можно оценить по относительному значению эффективной пористости породы, которая характеризует количество микродефектов материала, т.е. , тогда эффективная пористость определится в следующем виде:

.(10)

3. Изменение прочностных свойств щебня и долговечности горных пород в процессе эксплуатации может быть рассчитано на основании измерений термокинетических параметров горных пород и их водопоглощения

Для определения качества щебня была изучена микротрещиноватость и физико-механические свойства щебня по фракциям 5-10, 10-20 и 20-40 мм различных гранитных месторождений Республики Карелия. Поверхность кусков, образующихся при дроблении горной массы, характеризуется наличием дефектов и микротрещин, определяющих интенсивность физико-химических реакций поверхности с внешней средой.