Особенности разрушения горных пород и неорганических материалов биологического генезиса в водной среде

Изучено деформационное поведение на макроскопическом масштабе горных пород (ГП) и неорганических материалов биологического генезиса (скорлупы яиц курицы и серой цапли), которые более чем на 90% состоят из карбоната кальция, при испытаниях на изгиб и срез на воздухе и в воде. Также было изучено поведение трещин в скорлупе яиц при изгибе на микроскопическом масштабе в воде и на воздухе. Результаты, полученные на образцах из скорлупы яиц, сравнили с данными по песчанику, граниту и антрациту. На основании полученных результатов можно заключить, что тип деформационного поведения горных пород и неорганических материалов биологического генезиса на макроскопическом масштабе определяется уровнем растягивающих напряжений в схеме нагружения и меняется от хрупкого при изгибе и диаметральном сжатии до вязкоупругого при одноосном сжатии и срезе. На микроскопическом масштабе, поведение ГП и образцов из скорлупы было аттестовано как вязкоупругое. Влияние водной среды не приводит к качественным изменениям в деформационном поведении изученных материалов независимо от их генезиса. Механизм влияния воды на поведение горных пород и неорганических материалов биологического генезиса можно объяснить в рамках эффекта Ребиндера, а именно пластификации материала в области трещины, где под влиянием атомов внешней среды протекание процессов аккомодации напряжений резко ускоряется, но смены типа деформационного поведения не происходит.

Меженов М. Е., Зайцев Д. В., Кочанов А. Н., Панфилов П. Е. Особенности разрушения горных пород и неорганических материалов биологического генезиса в водной среде // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2022. – № 11-2. – С. 5–15. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_112_0_5.

Работа выполняется при поддержке гранта РФФИ-СО № 20-48-660017.

Меженов Максим Евгеньевич¹ — студент, инженер-исследователь, e-mail: makxsm3121@gmail.com, ORCID ID: 0000-0001-8183-2623,
Зайцев Дмитрий Викторович¹ — д-р физ.-мат. наук, зав. кафедрой, e-mail: Zaytsev@m.ursmu.ru, ORCID ID: 0000-0002-8045-5309,
Кочанов Алексей Николаевич — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, ИПКОН РАН, e-mail: kochanov@mail.ru, ORCID ID: 0000-0001-7896-8546,
Панфилов Петр Евгеньевич — д-р физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, Уральский федеральный университет, e-mail: peter_panfilov@mail.ru, ORCID ID: 0000-0001-9068-049X,
¹ Уральский государственный горный университет.

Зайцев Д.В., e-mail: Zaytsev@m.ursmu.ru.

1. Hudson J. A., Harrison J. P. Engineering rock mechanics. An Introduction to the Principles. Amsterdam, Pergamon, 2000, 456 р.

2. Haghighatpour P. J., Aliha M. R. M. Assessment of freezing and thawing cycle (FTC) effects on mixed mode I/III fracture toughness and work of fracture of HMA asphalt mixtures // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2022, vol. 118, article 103261. DOI: 10.1016/j. tafmec.2022.103261.

3. Боровков Ю. А., Фурман С. В. Оценка влияния увлажнения и минерального состава горных пород на их прочностные свойства для прогноза возможности прорыва подземных вод в рудник // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2007. — № 1. — С. 276—280.

4. Ребиндер П. А. Избранные труды. Поверхностные явления в дисперсных системах. Физико-химическая механика. — М.: Наука, 1979, 203 p.

5. Kachanov M., Sevostianov I. Micromechanics of materials, with applications. Heidelberg, Springer Nature, 2018, 712 p. DOI: 10.1007/978-3-319-76204-3.

6. Argon A. S. Strengthening mechanisms in crystal plasticity. Oxford, Oxford University Press, 2012, 404 p.

7. Argon A. S. The physics of deformation and fracture of polymers. Cambridge, Cambridge University Press, 2013, 532 p.

8. Высотин Н. Г. Упругий гистерезис горных пород различных генотипов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 5-2. — С. 72—79. DOI: 10.25018/ 0236_1493_2022_52_0_72.

9. Vernon R. H. A practical guide to Rock Microstructure. Cambridge, Cambridge University Press, 2004, 606 p.

10. Cerfontaine B., Collin F. Cyclic and fatigue behaviour of rock materials: Review, interpretation and research perspectives // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2018, vol. 51, pp. 391–414.

11. Жабин А. Б., Поляков А. В., Аверин Е. А., Линник Ю. Н., Линник В. Ю. Комплексное влияние размеров образца горной породы на величину предела прочности на сжатие // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 8. — С. 5–13. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_8_0_5.

12. Зайцев Д. В., Кочанов А. Н., Токтогулов Ш. Ж., Пантелеев И. А., Панфилов П. Е. Влияние масштабного эффекта и неоднородности горных пород при определении их прочностных свойств // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2016. — № 11. — С. 208—215.

13. Зайцев Д. В., Кочанов А. Н., Пантелеев И. А., Панфилов П. Е.. О влиянии масштабного фактора при испытаниях на прочность образцов горных пород // Известия РАН. Серия Физическая. — 2017. — Т. 81. — № 3. — С. 367–370. DOI: 10.7868/S0367676517030401.

14. Жабин А. Б., Поляков А. В., Аверин Е. А., Линник Ю. Н., Линник В. Ю. Обобщение современных сведений о корреляционных зависимостях предела прочности на сжатие с иными прочностными показателями горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 6. — С. 5–19. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_6_0_5.

15. Kalachev V. A., Zaitsev D. V., Kochanov A. N., Kostandov Yu. A., Panfilov P. E. Effect of water on fracture of rocks under diametral compression // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018, vol. 134, no. 1, article 012023. DOI: 10.1088/17551315/134/1/012023.

16. Jia Z., Yu Y., Hou S., Wang L. Biomimetic architected materials with improved dynamic performance // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2018, vol. 125, pp. 178–197.

17. Naleway S. E., Porter M. M., McKittrick J., Meyers M. A. Structural design elements in biological materials: Application to bioinspiration // Advanced Materials. 2015, vol. 27, pp. 5455—5476.

18. Carter T. C. Hens egg: some factors affecting deformation in statically loaded shells // British Poultry Science. 1970, vol. 11, pp. 15–38. DOI: 10.1080/00071667008415789.

19. Rodriguez-Navarro A., Kalin O., Nys Y., Garcia-Ruiz J., Poult Br. Influence of the microstructure on the shell strength of eggs laid by hens of different ages // British Poultry Science. 2002, vol. 43, pp. 395–403.

20. Taylor D., Walsh M., Cullen A., O’Reilly P. The fracture toughness of eggshell // Acta Biomaterialia. 2016, vol. 37, pp. 21–27.

21. Dipayan J. Sample preparation techniques in petrographic examinations of construction materials: a state-of-the-art review / Proceedings of the 28 conference on cement microscopy. Denver, Colorado, U.S.A., 2006. https://www.researchgate.net/publication/265106011.

22. Hamza O., Stace R. Creep properties of intact and fractured muddy siltstone // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2018, vol. 106. pp. 109—116.

23. Шибаев И. А., Белов О. Д., Сас И. Е. Определение динамических и статических модулей упругости образцов гранитов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 4-1. — С. 5—15. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_41_0_5.

24. Иванов П. Н., Блохин Д. И., Закоршменный И. М. Экспериментальное исследование изменения физико-механических свойств антрацита при температурном воздействии // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 4-1. — С. 41—51. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_41_0_41.

25. Хашпер А. Л., Аминев Т. Р., Федоров А. И., Жонин А. В. Исследование зависимости проницаемости горной породы от ее напряженно-деформированного состояния // Геологический вестник. — 2019. — № 1. — С. 133—140. DOI: 10.31084/2619-0087/2019-1-10.