Гидрофизические свойства горных пород

На протяжении тысячелетий основным инструментом изучения свойств природного камня, да и других материалов был метод проб и ошибок. Опыт, приобретенный таким путем часто оказывался весьма дорогостоящим, что, впрочем, никогда не останавливало экспериментаторов.

Первыми были изучены свойства горных пород, связанные с механическими воздействиями: удары – прочность, царапание – твердость, нагрузка – прочность на сжатие и влиянием природных стихий: огонь – термостойкость, вода – водостойкость, мороз – морозостойкость. Опыт, приобретенный в результате наблюдений и экспериментов, находил вполне практическое применение при выборе камня для строительства мостов, плотин, закладки фундаментов и возведения стен домов.

В наши дни, когда изучением минералов и горных пород занимаются целые научно-исследовательские институты, стало возможным не только объяснить причины проявления тех или иных свойств, но и получить их численное выражение для более точного сравнения и обоснованного выбора. Так от общих представлений – известняк впитывает воду и разрушается, а гранит нет, перешли к анализу гидрофизических характеристик горных пород.

Пористость

Характер взаимодействия природных каменных материалов с водой определяется наличием или отсутствием в их структуре пустот, пор, микро- и макротрещин. Именно они позволяют воде проникать в камень и накапливаться там. Их размеры и расположение (открытые, закрытые) оказывают влияние не только на гидрофизические параметры, но и на прочность, устойчивость к колебаниям температуры, теплопроводность, звукопроницаемость и некоторые другие.

Породы с открытой пористостью (поры сообщаются с внешней средой) способны поглощать воду, с закрытой (внутренние полости не имеют выхода к поверхности) – имеют хорошую водостойкость. Наибольшая пористость характерна для осадочных пород:

• сланцы (глинистые) – 0,54 – 1,4%;
• песчаник – 1,6 – 26 %;
• известняк – 5-22 %;
• доломит крепкий – 3,4 12,4 %.

За ними следуют метаморфические породы:

• мрамор – 0,6-3,3 %;
• кварцит – 0,2-0,7 %;
• кристаллические сланцы – 1,0-2,0
• гнейсы – 0,5-2

И наконец самую низкую пористость имеют магматические горные породы:

• гранит – 0,06-2,0 %;
• базальт – 0,6-19
• диорит – 0,1-3,5 %;
• габбро – 0,02-1,5 %.

По значениям пористости можно косвенно судить о водопоглощении, морозостойкости и в целом о долговечности горных пород.

Водостойкость

Характеризует способность природного камня сохранять прочностные параметры как в сухом состоянии, так и при насыщении водой. Численное выражение водостойкости определяется путем деления предела прочности на сжатие в водонасыщенном состоянии к такому же параметру, измеренному в сухом состоянии, и носит название – коэффициент размягчения.

На практике материалы с высокой водостойкостью и изделия из них используют для облицовки бассейнов (плитка из гранита), мощения морских и речных набережных (плита мощения из габбро или гранита) и других видах строительных и отделочных работ. Низкий коэффициент размягчения породы (при достаточной прочности в сухом состоянии) говорит о невозможности ее использования для наружных работ без применения специальных гидрофобизаторов, защищающих поверхность изделий от проникновения воды.

Влажность

Этот параметр показывает процентное содержание воды в горной породе и рассчитывается как отношение разности масс влажного и высушенного образца к массе последнего. Повышенная влажность снижает прочность, повышает теплопроводность и вес камня. В строительных конструкциях она непосредственно связана с влажностью окружающего воздуха и со временем приходит с ним в равновесное состояние.

Практическое значение имеет для пористых пород камня, которые находят применение в строительстве – позволяет определять готовность для использования и необходимость принятия мер по защите лицевой поверхности изделий.

Водопоглощение

Как уже было отмечено, пористость различных пород камня способствует проникновению в них воды при непосредственном контакте, либо в виде водных паров. Параметр водопоглощения показывает, как камень впитывает воду и способен ли он удерживать ее после проникновения. Количественное выражение определяется в процентах и рассчитывается как частное от деления разницы масс, насыщенного водой и сухого образцов к массе сухого (водопоглощение по массе).

Свойство породы поглощать и удерживать воду отрицательно сказывается на прочности и долговечности материалов и изделий. В то же время, понимание связи водопоглощения с открытой пористостью, позволяет предлагать и использовать способы ее снижения. Так, например, фасадные плиты из гранита после термообработки имеют практически нулевое водопоглощение. Плита полированная из габбро-диабаза (при высококачественной полировке) также существенно снижает способность к поглощению воды или водяных паров (туман, смог).

Водопроницаемость

Применение природного камня в различных гидротехнических сооружениях требует обязательного учета такой характеристики как водопроницаемость. Параметр отражает скорость прохождения воды через породу при единичном гидравлическом градиенте и носит название коэффициента фильтрации. Классификация горных пород по этому параметру (проницаемые, полупроницаемые и водонепроницаемые) носит условный характер, поскольку не существует ни абсолютно проницаемых, ни абсолютно непроницаемых материалов – все зависит от давления.

Наименьшей водопроницаемостью обладают плотные магматические породы, что делает блоки гранитные и габбро незаменимым материалом при сооружении различных гидротехнических бъектов. Ярким примером могут служить закованные в гранит берега Невы в Санкт-Петербурге.

Морозостойкость

Тесно связанная с такими характеристиками как пористость и водопоглощение способность насыщенных водой горных пород выдерживать частые перепады температур получила название морозостойкости. В зависимости от количества циклов зима/лето, которые данная порода способна выдержать без разрушения, ей присваивается определенная марка от F10 до F 200 и более, где цифрой обозначается число циклов.

Применение изделий из природных материалов с высокой морозоустойчивостью (фасадные плиты из габбро-диабаза, брусчатка и тротуарная плитка из гранита и габбро) позволяет вести строительство даже в условиях Крайнего Севера.