Свойства природного камня. Твердость, истираемость, износ

Как часто мы повторяем привычные фразы – «истерлись каблуки», «износились шины автомобиля», «появились царапины на полировке» не особо задумываясь над их скрытым значением и причинами, которые привели к столь досадным изменениям. Хотя, если вдуматься каждая фраза содержит эти причины: каблуки – терлись, шины – носились, царапины – царапались. А значит все неприятности произошли под воздействием неких сил, которые физика называет силами трения.

Силы эти вездесущи, могущественны и не любят, когда ими пренебрегают. Протертые на коленях детские колготы и прорезанные в скальных породах колоссальные каньоны – дело их «рук». Более абразивные предметы стирают менее абразивные, более износостойкие дольше выдерживают воздействие разрушающих факторов, более твердые царапают менее твердые.

Особое значение имеет знание этих свойств и умение их измерять в сфере строительства, где они являются определяющими при выборе материалов для самых различных применений.

Твердость

Одно из первых свойств материалов, с которым человек познакомился на пути своего становления. Камень тверже дерева – им можно резать и рубить, некоторые камни (гранит, базальт, габбро-диабаз) оставляют царапины на других (известняк, обсидиан) – ими можно делать наскальные рисунки и инструменты, песком можно шлифовать камни. Такой несложный бытовой опыт привел со временем к определению твердости, как способности одних материалов оказывать сопротивление при воздействии на них других и лег в основу построения известной шкалы Мооса.

Десять минералов расположились в этой шкале в ряд по мере возрастания твердости — от талька до алмаза, а способ определения ее значения сохранился с древних времен – тот камень, который оставляет царапины на другом – более твердый. При последовательном сравнении с эталонными образцами можно определить и относительное численное значение твердости образца.

Часто высокую прочность отождествляют с твердостью материала. Это распространенное заблуждение легко опровергается практикой, которая свидетельствует, например, о примерно равной прочности на сжатие и намного более высокой прочности на изгиб и растяжение у дерева, чем у бетона, при значительно меньшей твердости древесины.

В то же время существует прямая зависимость таких параметров как истираемость и износ от твердости материалов.

Истираемость

От постоянного трения вещи имеют свойство изнашиваться – они теряют свой внешний вид (одежда), массу и размеры (лестничные ступени, покрытия пола, тормозные колодки, обувные каблуки). Выраженная в числовой форме как отношение утраченной массы к площади, истирание играет роль ключевого параметра при подборе материалов для строительных работ. Так решение выбрать плиты мощения из гранита, бетона или керамики в большей степени зависит от этого параметра.

Измерение истираемости осуществляется исключительно экспериментальным путем. Для этих целей промышленность выпускает специальные приборы – абразиметры, в которых испытуемый образец подвергается длительному воздействию абразивных материалов. Однако результаты таких испытаний трудно использовать для реальных расчетов, поскольку в реальности брусчатка из гранита или лестничные ступени не подвергаются прямому воздействию абразивных кругов – по ним просто ходят люди или движутся транспортные средства.

Для понимания реального соотношения были проведены натурные эксперименты. В московском метро, где благодаря наличию турникетов есть возможность точно рассчитать количество проходящих через них людей, была установлена тротуарная плитка из гранита. Через 6 месяцев были проведены замеры и определена как степень истирания, так и пассажиропоток, который ее вызвал. В результате появилась возможность соотнести результаты испытаний с помощью приборов и натурного эксперимента и вывести эмпирическую формулу для расчета потока людей, прохождение которого приведет к стиранию 1 мм поверхности материала, а значит и срок его эксплуатации.

Устойчивость к истиранию также тесно связана с износом и общей долговечностью изделий из камня.

Износ

Применительно к изделиям из камня в качестве основных причин износа следует рассматривать действие физических:

• нагрузки;
• силы поверхностного трения;
• воздействие абразивных материалов;

термических (в меньшей степени):

• циклы зима-лето;

и химических факторов (незначительно):

• действие кислот и щелочей.

Основным показателем износа служит потеря массы, которая выражается в процентах от изначальной массы. Считается, что износ есть способность материала оказывать сопротивление комплексному действию абразивов и ударных нагрузок. Влияние на износостойкость оказывают как внутренние свойства самого материала (твердость, плотность, истираемость), так и характеристики внешних воздействий (вид трения, условия эксплуатации).