2Własności fizyczne i mechaniczne ośrodków skalnych

Materiały (minerały) naturalne lub sztuczne charakteryzują się różnymi własnościami wynikającymi z ich budowy (struktura, tekstura). Ma to później bezpośredni wpływ na procesy związane z niszczeniem ich struktury w celu otrzymania produktu (urobku) nieforemnego (żwiry, piaski, gliny, kruszywo, gruzy itp.) lub foremnego (kostka, krawężniki, płyty, materiały ozdobne itp.). Może również nastąpić proces odwroty, czyli proces konsolidacji sprowadzający się najczęściej do zagęszczania, lub inny polegający na przemieszczaniu minerału (spychanie, ładowanie). Wtedy minerał rozluzowany, poprzez nacisk statyczny lub dynamiczny, jest formowany do postaci wynikającej z miejsca jego zastosowania i wymagań użytkownika. Prawie wszystkie materiały poddane obróbce ubytkowej mają własności anizotropowe spowodowane ich nieciągłością zarówno w sensie geometrycznym (wielkość ziaren, uwarstwienia, spękania itp.), jak i fizycznym (zmienne własności w różnych kierunkach). Nieciągłości te w zasadniczy sposób wpływają na zdolność i reagowanie materiału na zakłócenia jego stanu, nie tyko naturalnego (in situ). Dlatego opisanie ich własności jednym parametrem jest mało dokładne, a w wielu przypadkach wręcz niemożliwe. Stąd dla konkretnej metody (procesu) stosuje się kilka lub kilkanaście wielkości opisujących własności obrabianego materiału.

Procedura ustalania własności materiału zaczyna się od bardzo wstępnych badań, czyli badań organoleptycznych (analiza makroskopowa). Na podstawie oceny wzrokowej, a także za pomocą dotyku i węchu, ustalany jest rodzaj minerału oraz przypuszczalne i spodziewane własności fizyczne, chemiczne i mechaniczne (barwa, kolor, połysk, chropowatość powierzchni, twardość, nasiąkliwość itp.). W następstwie tego zakładane są sposoby jego pozyskania, a wtedy wymagane jest już dokładniejsze ustalenie parametrów fizycznych minerału, ważnych dla wybranego procesu technologicznego.

2.1. Barwa minerału

Ze względu na barwę minerały dzieli się na achromatyczne, idiochromatyczne, allochromatyczne i pseudochromatyczne. Minerały achromatyczne absorbują równomiernie światło. Jeżeli pochłaniane światło jest nieznaczne (słabe), to minerały te są bezbarwne (halit, diament, sól), natomiast przy silnym pochłanianiu całego widma widzialnego minerały mają barwę czarną (grafit). Minerały idiochromatyczne, tzw. barwne (rys. 2.1.1) pochłaniają ściśle określoną część widma światła białego i mają charakterystyczną barwę własną (np. malachit - zieloną). W minerałach allochromatycznych (zabarwionych) zabarwienie związane jest z obecnością barwiących domieszek substancji obcych (np. czarny kwarc SiO2). Minerały pseudochromatyczne wykazują charakterystyczną barwną migotliwość wskutek wewnętrznego odbicia światła od płaszczyzn łupliwości lub płaszczyzn zbliźniaczeń (labrador) [7, 8].

Rys. 2.1.1. Przykład różnych kolorów minerałów: 1. agat, 2. ametyst, 3. turmalin, 4. jaspis, 5. aragonit [88]

2.2. Połysk minerałów

Połysk minerałów zależy od współczynnika załamania światła, współczynnika odbicia światła oraz od zdolności minerału do absorpcji światła. Połysk obserwuje się na gładkich ścianach kryształu (rys. 2.2.1). Wyróżnia się cztery główne rodzaje połysków. Połysk metaliczny charakterystyczny jest dla minerałów o współczynnikach załamania światła większych od 3 i silnej absorpcji światła (galena, piryt). Połysk półmetaliczny jest charakterystyczny dla minerałów o współczynniku załamania światła w granicach 2,6 ÷ 3,0 (magnetyt). Połysk diamentowy posiadają minerały o współczynniku załamania światła w granicach 1,9 ÷ 2,6 (diament, sfaleryt). Połysk szklisty jest cechą minerałów o współczynniku załamania światła w granicach 1,3 ÷ 1,9 i słabej absorpcji światła (kwarc, gips) [7, 8].

Rys. 2.2.1. Przykłady minerałów o charakterystycznym połysku: a. kwarc, b. gips [63, 73]

Przyrząd do badania współczynnika załamania światła nazywany jest refraktometrem. Klasyczny pomiar współczynnika załamania światła (n) polega na wyznaczaniu wartości kąta granicznego (?gr) na podstawie prawa Snelliusa (2.2.1). Kąt graniczny jest zdefiniowany jako wartość kąta padania światła (?1) biegnącego z ośrodka o większej wartości współczynnika załamania światła (n1 > n2) w sytuacji, gdy kąt załamania (?2) osiąga wartość 90° (promień załamany znajduje się na krawędzi granicznej). Prawo załamania światła na granicy ośrodków o różnych wartościach współczynnika załamania światła zilustrowano na rysunku 2.2.2. Żółte pole obrazuje rozproszenie wiązki padającej, które umożliwia obserwację granicy między polem jasnym i ciemnym w okularze przyrządu, gdy ?1 = ?gr.

(2.2.1)

gdzie:

n1 i n2 - współczynniki załamania światła dla dwóch sąsiadujących ośrodków o różnej gęstości optycznej,

?1 i ?2 - kąty padania światła dla dwóch sąsiadujących ośrodków o różnej gęstości optycznej, °.

Rys. 2.2.2. Prawo załamania światła na granicy dwóch ośrodków o różnych wartościach współczynnika załamania światła - oprac. własne na podst. [8]

2.3. Twardość minerału

Twardość minerału jest to opór, jaki stawia minerał sile mechanicznej starającej się naruszyć jego powierzchnię (zarysować, zeszlifować). Zależy ona od rodzaju wiązań chemicznych występujących w minerale i od jego struktury. Twardość minerału (materiału) można oznaczyć metodami pośrednimi, stosując uprzednio sporządzone skale porównawcze lub metodami bezpośrednimi poprzez rysowanie, szlifowanie i wgniatanie ostrza w ich powierzchnię ze znaną siłą. W praktyce wstępnie najczęściej stosuje się 10-stopniową skalę porównawczą wprowadzoną przez F. Mohsa. Tworzą ją minerały wzorcowe o wzrastającej twardości, od najmniejszej do największej (tab. 2.3.1) [7, 8, 11, 30, 36].

Łatwo zauważyć, że za pomocą prostych narzędzi (paznokieć, rysik stalowy, bijak stalowy) można oszacować twardość minerału. Metody bezpośrednie wyznaczania twardości wymagają specjalistycznego oprzyrządowania. Pomiar twardości za pomocą sklerometru (rys. 2.3.1a) polega na zarysowaniu próbki materiału obciążanym stopniowo ostrzem stalowym lub diamentowym, aż do jej zarysowania. Twardość wyrażona jest wartością obciążenia niezbędnego do zarysowania powierzchni minerału [7, 8, 11]. Młotek Schmidta (rys. 2.3.1b) przeznaczony jest do pomiaru twardości betonu i skał zwięzłych. Wykorzystywany jest głównie w budownictwie i geologii inżynierskiej, ale nie tylko. Znajduje również zastosowanie w branży papierniczej do pomiaru twardości zwojów papieru [89].

Tabela 2.3.1. Twardość minerałów według skali Mosha [7]

Stopień twardości

Nazwa minerału

Cecha charakterystyczna

Grupa twardości

1

talk

Można zarysować paznokciem

bardzo miękkie

2

gips

3

kalcyt

Można zarysować stalowym ostrzem

miękkie

4

fluoryt

5

apatyt

twarde

6

ortoklaz

Można zarysować stalowym ostrzem lub szkłem

7

kwarc

Przy uderzeniu powstają iskry, rysują szkło

bardzo twarde

8

topaz

9

korund

Przy uderzeniu powstają iskry, tną szkło

10

diament

Można również wykorzystać metodę Szreiniera do wyznaczania twardości minerału oraz szacowania innych parametrów mechanicznych. Metoda ta polega na wgniataniu statycznym cylindrycznego próbnika (powierzchnia podstawy 1 ÷ 2 mm2) w oszlifowaną powierzchnię próbki. Wykorzystuje się do tego prasę hydrauliczną o nacisku minimum 100 kN z możliwością rejestracji odkształcenia (deformacji) próbki. Stosunek siły, przy której nastąpiło kruche zgniecenie minerału pod próbnikiem, do jego powierzchni wyznacza umowną twardość [7, 8, 11].

Rys. 2.3.1. Pomiar twardości: a. schemat pomiaru twardości sklerometrem, b. młotek Schmidta [7, 91]

2.4. Łupliwość

Łupliwość jest to podatność minerałów na pękanie lub podział wzdłuż określonych płaszczyzn krystalograficznych pod wpływem działających na nie sił statycznych i dynamicznych albo na zmiany objętości powstałe wskutek różnic temperatur. Liczba kierunków łupliwości oraz kątów, które one tworzą, jest zmienna, ale stała dla tego samego rodzaju minerału. Na rysunku 2.4.1 przedstawiono rodzaje łupliwości w zależności od gładkości płaszczyzn łupliwości. Minerały niewykazujące łupliwości pękają wzdłuż nierównych powierzchni pęknięć zwanych przełamem [7, 11, 35, 36].

Rys. 2.4.1. Rodzaje łupliwości

2.5. Odkształcenia mechaniczne

Pod wpływem działania siły mechanicznej minerał ulec może różnym odkształceniom mechanicznym, czyli odkształceniu sprężystemu, plastycznemu lub rozkruszeniu. Odkształcenie sprężyste charakteryzuje się tym, że sieć krystaliczna ulega deformacji w całości, ale żaden atom nie zmienia swego położenia w płaszczyźnie sieciowej, co pozwala na powrót sieci do jej pierwotnego położenia po usunięciu działającej siły. Odkształcenie plastyczne jest wtedy, gdy następuje deformacja, która jest związana z nieodwracalnymi zmianami sieci krystalicznej. Głównym mechanizmem odkształcenia plastycznego jest poślizg. Polega on na przesunięciu elementów strukturalnych (jonów, atomów) leżących w jednej płaszczyźnie sieciowej względem jonów lub atomów sąsiedniej płaszczyzny sieciowej, zwanej płaszczyzną poślizgu. Rozkruszenie minerału jest najczęstszą formą niszczenia jego struktury. Za minerały kruche uważa się te, które przy użyciu siły rozpadają się bez wykazania uprzednio odkształceń sprężystych lub plastycznych [11, 17, 30, 36]. Dodatkowo minerały kruche charakteryzują się tym, że po działaniu siły niszczącej ich objętość jest znacznie większa w stosunku do stanu przed działaniem tej siły (przed urabianiem).

2.6. Gęstość rzeczywista i pozorna

W wielu procesach przemysłowych wymagane jest określenie gęstości rzeczywistej (właściwej) i pozornej zastosowanego tam materiału naturalnego lub sztucznego. Gęstość rzeczywista minerału ?rz jest to stosunek jego masy m do objętości V, bez porów i szczelin (2.6.1) [8, 11, 30, 36].

(2.6.1)

gdzie:

?rz - gęstość rzeczywista minerału, kg/m3,

m - masa ziaren mineralnych zawartych w próbce, kg,

V - objętość ziaren mineralnych zawartych w próbce, m3.

Natomiast gęstość pozorna ?po (przestrzenna) jest to stosunek masy minerału wysuszonego w temperaturze 110o do objętości wraz z porami i szczelinami. Gęstości rzeczywiste minerałów mierzy się najczęściej za pomocą piknometrów lub metodą suspensyjną, a gęstość pozorną metodą hydrostatyczną.

Pomiar gęstości metodą piknometryczną, zgodnie z normą PN-EN ISO 787-10:1999 [40], polega na dwukrotnym ważeniu piknometru (rys. 2.6.1). Pierwszy pomiar dokonywany jest tylko z wodą o gęstości ?w. Drugi pomiar masy piktometru przeprowadzany jest dla rozdrobnionej i odważonej uprzednio próbki minerału o ziarnach do wielkości 0,15 - 0,06 mm zmieszanej z wodą. Po wprowadzeniu badanego minerału do piknometru z wodą, należy piknometr podgrzać w celu usunięcia z niego powietrza. Gęstość wylicza się z zależności (2.6.2).

Rys. 2.6.1. Piknometr Gay Lussaca [71]

(2.6.2)

gdzie:

?rz - gęstość rzeczywista minerału, kg/m3,

m - masa badanego minerału, kg,

?w - gęstość wody, kg/m3,

m1 - masa piknometru i wody, kg,

m2 - masa piknometru z minerałem i wodą, kg.

Metoda suspensyjna polega na dobraniu cieczy ciężkiej o gęstości równej gęstości oznaczonych minerałów. Okruchy minerałów o tej samej gęstości co ciecz są w niej swobodnie zawieszone, natomiast okruchy o mniejszej gęstości gromadzą się na jej powierzchni, a te najcięższe opadają na dno [7,8].

Metoda hydrostatyczna, zgodnie z normą PN-EN ISO 18754:2022-10 [41], polega na oznaczaniu ilości cieczy wypartej przez zanurzoną w niej badaną próbkę. W tym celu używa się cieczy niezwilżających, np. cieczy organicznych lub rtęci. Gdy pomiary wykonuje się w wodzie, wtedy próbkę pokrywa się wcześniej warstewką substancji, która nie przepuszcza wody, np. parafiną. Wtedy gęstość pozorną ?po oblicza się ze wzoru (2.6.3).

(2.6.3)

gdzie:

?po - gęstość pozorna, kg/m3,

m - masa próbki, kg,

mp - masa próbki i parafiny, kg,

mpw - masa próbki i parafiny ważona w wodzie, kg,

?w - gęstość wody, kg/m3,

?p - gęstość parafiny, kg/m3.

Ze względu na wartość gęstości pozornej minerały dzieli się na bardzo lekkie (do 1500 kg/m3), lekkie (1500 ÷ 1800 kg/m3), średnio ciężkie (1800 ÷ 2200 kg/m3), ciężkie (2200 ÷ 2600 kg/m3) i bardzo ciężkie (powyżej 2600 kg/m3).

2.7. Ciepło właściwe

Ciepło właściwe C jest to ilość ciepła Q potrzebna do ogrzania jednego kg minerału o jeden stopień (2.7.1). Minerały mają mniejsze wartości ciepła właściwego w porównaniu do wody, czyli wymagają dostarczenia większej ilości ciepła, by osiągnąć założoną (wymaganą) temperaturę [7, 8].

(2.7.1)

gdzie:

C - ciepło właściwe, J/(kg - K),

?Q - ilość ciepła, J,

m - masa minerału, kg,

?t - różnica temperatur, K.

2.8. Przewodność cieplna

Przewodność cieplna jest to zdolność materiału ogrzanego nierównomiernie do przemieszczania w nim energii cieplnej. Przewodność cieplna charakteryzuje się intensywnością wymiany ciepła na drodze przewodzenia w ośrodku skalnym. Przewodność cieplną danego minerału określa się za pomocą współczynnika przewodnictwa cieplnego ?. Zdefiniowany jest on jako stosunek strumienia ciepła ? przechodzącego przez powierzchnię o polu Sh, przy różnicy temperatur ?t na długości jednego metra (2.8.1) [7, 8].

(2.8.1)

gdzie:

? - współczynnik przewodnictwa cieplnego, W/(m - K),

? - strumień ciepła na długości jednego metra, W - m,

Sh - pole przekroju, przez który przepływa ciepło, m2,

?t - różnica temperatur w kierunku przewodzenia ciepła na długości jednego metra, K.

Wszystkie materiały są przewodnikami, lecz ich zdolność do przewodzenia ciepła waha się w szerokich granicach. Minerały przewodzące ciepło (przepuszczalne dla promieni cieplnych) to minerały diatermiczne, a minerały niewykazujące tych własności to minerały adiatermiczne (praktycznie nieprzepuszczalne dla promieni cieplnych). Najlepszą przewodność cieplną mają minerały o wiązaniach metalicznych, natomiast o wiązaniach jonowych są to naturalne materiały termoizolacyjne [7, 8].

Wyżej wymieniony wzór jest prawdziwy dla wymiany ciepła odbywającej się tylko przez przewodzenie ciepła, gdy nie występuje ani promieniowanie cieplne, ani konwekcja, a rozważana przegroda cieplna jest jednorodna. W technice, szczególnie w budownictwie, model ten przyjmuje się dla przegród cieplnych w budowlach [7, 8].

2.9. Ciepło i temperatura topnienia

Ciepło topnienia to ilość energii potrzebnej na przejście minerału ze stanu stałego w stan ciekły. Ogrzewany minerał akumuluje energię cieplną aż do momentu topnienia (punkt topnienia) i do tej chwili jego temperatura rośnie. Następnie temperatura utrzymuje się na stałym poziomie, aż do całkowitego stopienia minerału. Po przejściu w stan płynny następuje wzrost temperatury. Sytuacja odwrotna występuje przy obniżaniu temperatury stopionego minerału. Wtedy w czasie krystalizacji minerału temperatura jest stała (minerał wydziela ciepło krystalizacji), aż do momentu uzyskania stanu stałego, by następnie ulegać obniżaniu. Moment przejścia minerału ze stanu stałego w ciekły jest różny dla poszczególnych minerałów i charakteryzuje się temperaturą topnienia wyznaczaną empirycznie w różnych piecach [7, 8].

2.10. Ogniotrwałość

Ogniotrwałość to odporność niektórych materiałów na działanie wysokich temperatur. Minerał uznaje się za ognioodporny, gdy zachowuje swoje własności w temperaturze powyżej 1560oC (temperaturze topnienia) [7, 8]. Ogniotrwałość oznacza się najczęściej metodą Segera zgodnie z normą PN-EN 993-12:2000 [42].