نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد دهم، شمارۀ 1 بهار 1931 5533

ارزیابی اثر هوازدگی نمک و ذوب- انجماد بر مقاومت
و دوام پذیری ماسه سنگ های سازند قرمز بالایی

محمد حسین قبادی، رضابابازاده؛ دانشگاه بوعلی سینا تاریخ: دریافت 1/8/1931 پذیرش 7/4/39 چکیده
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

مقاومت و دوام پذیری ماسه سنگ ها و میزان تأثیرپذیری آن ها از شرایط طبیعی مهم ترین عواملی هستند که هنگام استفاده به عنوان سنگ های ساختمانی باید به آن توجه شود. در این پژوهش، اثر پدیدۀ ذوب-انجماد و فرایند تبلور نمک بر مقاومت و دوام پذیری ماسه سنگ های سازند قرمز بالایی در جنوب استان قزوین )محدودۀ آوج-آبگرم( بررسی شد. تعداد 3 نمونه ماسه سنگ )مشخص شده با حروف Min ،Tr ،S1 ،S ،CG ،C ،B ،A و Sh( از بخش های مختلف منطقۀ مذکور جمع آوری شده و خصوصیات فیزیکی و مکانیکی آن ها بررسی شد.
به منظور ارزیابی اثر پدیدۀ ذوب- انجماد بر خصوصیات فیزیکی و مکانیکی نمونه های سنگی ،آزمایش ذوب- انجماد طی 06 دور انجام شده است. هم چنین برای بررسی اثر پدیدۀ تبلور نمک بر مقاومت ماسه سنگ ها، آزمایش تبلور سولفات سدیم )محلول اشباع 166% وزنی 4Na2SO( نیز طی 16 دور انجام گرفته است. خصوصیات فیزیکی و مکانیکی ماسه سنگ های بررسی شده از قبیل افت وزنی ،شاخص بار نقطه ای، مقاومت کششی برزیلی و سرعت عبور موج )Vp( در دور های مختلف تعیین شد. به منظور ارزیابی اثر فرایندهای ذوب- انجماد و تبلور سولفاتسدیم بر دوام پذیری، آزمایش دوام پذیری بعد از فرایندهای مذکور روی نمونه های ماسه سنگی انجام شده و تغییرات شاخص دوام شکفتگی در 11 دور بررسی شد. بر اساس نتایج حاصل از این بررسی ها مشخص شد که تبلور نمک در مقایسه با ذوب- انجماد، به طور چشم گیری می تواند میزان مقاومت و دوام پذیری ماسه سنگ ها را کاهش داده و آن ها را تخریب
شمارۀ
کند. هم چنین مشخص شد که میتوان رفتار ماسه سنگ ها را طی چرخه های ذوب- انجماد و تبلور نمک براساس نتایج حاصل از آزمایش های شاخص بار نقطه ای، مقاومت کششی برزیلی ،تعیین سرعت عبور موج و افت وزنی پیش بینی کرد.
واژه های کلیدی: ماسه سنگ، سازند قرمز بالایی، ذوب- انجماد، هوازدگی نمک، دوام پذیری.

مقدمه
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

مهمترین ویژگی سنگ ساختمانی برای استفاده به عنوان نما و کف ساختمان و سنگ فرش حفظ خصوصیات مقاومتی و ظاهری با توجه به شرایط محیطی است ]90[. خصوصیات فیزیکی، مکانیکی، شیمیایی و پتروگرافیکی مهم ترین عواملی هستند که هنگام انتخاب سنگ های ساختمانی برای موارد مذکور باید به آن توجه شود. تخریب سنگ تحت دور های ذوب- انجماد مشکلی عمده در بسیاری از پروژه های مهندسی از قبیل جادهها، راه آهن، مسیر لوله ها و مصالح ساختمانی در مناطق سردسیر است ]19[، ]93[. بعضی از خصوصیات مهندسی سنگ ها از قبیل مقاومت، تغییر شکل پذیری و نفوذپذیری به طور شدیدی تحت تأثیر این پدیده قرار می گیرند ]4[، ]7[، ]16[، ]11[، ]91[. مقاومت مکانیکی )مقاومت فشاری تک محوری( سنگ ها یکی از عوامل مهمی است که قابلیت استفادۀ آن ها را در مناطق سرد تحت تأثیر قرار می دهد.
سنگ های ساختمانی استفاده شده در مناطق سردسیر در هر سال، حداقل در معرض یک دور ذوب- انجماد قرار میگیرند. طی دورۀ انجماد، سنگ یخ زده و آب موجود در حفرات ریزسنگ در حدود 3% حجم اولیه خود انبساط پیدا میکند. چنین افزایش حجمی می تواند تنش های کششی را ایجاد کند و در نهایت منجر به تخریب سنگ شود. زمانی که سنگ در معرض فرایند ذوب یخ قرار گیرد، آب از طریق ریزترک های ایجاد شده و حفرات ریز جریان می یابد که این فرایند نیز آسیب پذیری سنگ را افزایش می دهد. میزان تخریب سنگ در مناطق سردسیر، نتیجه ای از تعداد سیکل های ذوب- انجماد، دما، نوع سنگ، تنش وارده و میزان رطوبت است ]8[ ، ]13[.
انجمادپذیریهای بالایی5535
محققان زیادی اثر ذوب- انجماد را بر مصالح مختلف و با استفاده از آزمایش های آزمایشگاهی بررسی کردند. بیش تر این بررسی ها به تعیین اثر پدیدۀ ذوب- انجماد بر خصوصیات سنگ های ساختمانی از قبیل مقاومت، تراکم پذیری، تخلخل، توزیع اندازۀ حفرات، نفوذپذیری و محتوای کانی شناسی پرداخته اند. چن و همکاران )1664( اثر درجۀ اشباع آب بر توف های جوش خورده طی ذوب- انجماد را بررسی کردند و دریافتند که میزان تخریب سنگ زمانی که درجۀ اشباع اولیۀ سنگ بیش تر از 76% باشد، به طور چشم گیری افزایش می یابد. موتلوترک و همکاران )1664( مدلی ریاضی ارائه دادند که فرایند تخریب سنگ، زمانی که در معرض سیکل های ذوب- انجماد قرار می گیرد را توصیف می کند و این مدل چندین پارامتر معنی دار برای تخریب سنگ یا دوام پذیری ارائه می دهد.
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

یاووز و همکاران )1660(، نیز مدلی را توسعه دادند که خصوصیات شاخص سنگ را با استفاده از تحلیل های رگرسیونی پیش بینی کرده است. کاراکا و همکاران )1616( به طور تجربی مقادیر سایش1 را قبل و پس از آزمایش ذوب- انجماد بررسی کردند. افراد مذکور، مدل های آماری برای مقادیر سایش قبل و بعد از ذوب- انجماد ارائه دادند. تان و همکاران )1611( افت خصوصیات مکانیکی گرانیتها را به عنوان تابعی از سیکل های ذوب- انجماد با آزمایش های تک محوری و سه محوری بررسی کردند. علاوه بر پدیدۀ ذوب- انجماد ،تبلور نمک های محلول در داخل مصالح متخلخل نیز یکی دیگر از دلایل تخریب سنگ های ساختمانی در طبیعت است. هوازدگی نمک پدیده ای است که مقاومت و دوام انواع سنگ ها و مصالح ساخت بشر )آجر، ملات و بتن( را تحت تأثیر قرار می دهد. این پدیده در تمام نقاط جهان از صحراهای سرد در قطب جنوب تا صحراهای گرم در آفریقا، مناطق ساحلی و محیطهای شهری اتفاق می افتد ]11[، ]14[، ]98[.
-1203951052195

زمانی که آب از طریق شبکه ای از حفره ها به داخل یک سنگ راه پیدا می کند، ممکن است با خود مقادیری نمک به صورت محلول داشته باشد. مکانیسمهای متعددی می توانند باعث رشد بلور در داخل سنگ شوند. برای مثال، سرد شدن طی شب می تواند باعث تبلور نمک هایی شود که با افزایش دما انحلال پذیری زیادتری نشان می دهند ]91[. در حالت بسیار
1. Bohme and wide-wheel
شمارۀ
معمول، تبخیر ممکن است باعث تبلور نمک شود ]3[. زمانی که چنین پدیدهای روی میدهد ،محلول های نمکی فوقاشباع ممکن است با حجم زیادی رسوب کنند ]14[. مکانیسمهای متعددی برای توضیح چگونگی اثرگذاری نمک های قابل حل بر مصالح متخلخل پیشنهاد شده است. این مکانیسمها شامل فشار تبلور، فشار هیدراسیون، انبساط گرمایی، فشار اسمزی و هوازدگی شیمیایی است ]14[. از میان عوامل ذکر شده، فشار تبلور مهم ترین عامل است و نقش مؤثری در تخریب سنگ دارد ]3[، ]14[، ]10[ و ]17[.
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

رشد بلور در فضایی محدود )حفره( فشاری را ایجاد می کند که از مقاومت بسیاری از مصالح مانند سنگ های ساختمانی، آجر و… فراتر رفته و باعث تخریب آن ها شود ]13[، ]98[. در حالت کلی چنین پذیرفته شده است که آسیب وارده به سنگ های متخلخل از چرخه های متناوب تبلور و انحلال نمک های قابل حل موجود در حفرات آن ها ناشی می شود ]3[. این فرایندها می توانند هم تخلخل و هم توزیع اندازۀ حفره های سنگ ها را تغییر داده و به تبع آن خصوصیات مکانیکی آن ها را تحت تأثیر قرار دهند ]16[. هدف اصلی این مقاله بررسی اثر چرخه های ذوب- انجماد و تبلور سولفات سدیم بر خصوصیات فیزیکی، مکانیکی و هم چنین دوام پذیری ماسه سنگ های سازند قرمز بالایی است. برای این منظور تعداد 3 نمونۀ ماسه سنگ )مشخص شده با حروف Min ،Tr ،S1 ،S ،CG ،C ،B ،A و Sh( از بخش های مختلف سازند قرمز بالایی در منطقۀ واقع در محدودۀ آوج- آبگرم انتخاب شده و آزمایش های ذوب- انجماد در 06 سیکل، تبلور سولفات سدیم در 16 سیکل و آزمایش دوام پذیری در 11 سیکل انجام شد. به منظور ارزیابی اثر سیکلهای آزمایش های مذکور، خصوصیات فیزیکی و مکانیکی نمونه ها از قبیل افت وزنی ،شاخص بار نقطه ای، مقاومت کششی برزیلی، سرعت عبور موج و تعیین شود.
مواد و روش ها
به منظور انجام این پژوهش، تعداد 3 نوع ماسه سنگ از بخش های مختلف سازند قرمز بالایی در محدودۀ آوج-آبگرم )جنوب غرب استان قزوین( برداشت شده و به آزمایشگاه منتقل شده است. نمونه برداری براساس تغییر لیتولوژی انجام گرفته شد و در حین نمونه برداری سعی شد تا از انتخاب نمونه های هوازده و خرد شده پرهیز شود. ترکیب کانی شناسی و خصوصیات
انجمادپذیریهای بالایی
بافتی با استفاده از میکروسکوپ نوری تعیین شد. خصوصیات فیزیکی و مکانیکی نمونه ها از قبیل وزن واحد حجم خشک، اشباع، تخلخل مؤثر، جذب آب، سرعت عبور موج در حالت خشک و اشباع، مقاومت کششی برزیلی و مقاومت بار نقطه ای و هم چنین شاخص دوام پذیری طی 11 سیکل در حالت های استاندارد، ذوب- انجماد و تبلور سولفات سدیم تعیین شد.

بررسی های سنگ شناسی
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

تعیین خصوصیات سنگ شناسی نه تنها می تواند به کسب اطلاعاتی در رابطه با ترکیب کانی شناسی و منشأ سنگ کمک کند، بلکه میتواند به عنوان ابزاری برای ارزیابی دوام پذیری و مقاومت سنگ در مقابل عوامل هوازدگی استفاده می شود ]17[. به منظور تعیین خصوصیات کانی شناسی و بافتی نمونههای ماسه سنگی، مقاطع نازک از هر کدام از نمونهها تهیه شده و با استفاده از میکروسکوپ پلاریزان بررسی شد. پس از تعیین ترکیب کانی شناسی دانه ها ،مرزهای دانه ها مشخص شده و پارامترهای بافتی از قبیل نوع تماس دانه ها1 و طبیعت تماسها1 تعیین شد )شکل 1 و 1(. با تعیین خصوصیات بافتی مذکور، پارامترهایی از قبیل نسبت تماس های قوی به ضعیف9 )SOWC( و فاکتور تحکیم )Pcc( مطابق با روابط 1 و 1 محاسبه شد. نتایج حاصل از بررسیهای پتروگرافیکی در جدول 1 آورده شده است.
45516817970

)الف(

)ب(

شکل 3. شکل شماتیک نشان دهندۀ تماس دانه ها در ماسه سنگ ها: الف( انواع تماس دانه ها )Su:
70358799266

تماس مضرس ،Cc: تماس محدب- مقعر ،Lo: تماس خطی ،Ta: تماس مماسی ،Fl: تماس شناور( )1950Taylor, (، ب( طبیعت تماس ها: g- دانه، C: سیمان، Mx- ماتریکس ،V-فضای خالی )G-C: تماس دانه با سیمان ،G-V: تماس دانه با فضای خالی ،G-G: تماس دانه با دانه ،G-M: تماس دانه با ماتریکس(
1. Contact types 2. Contact nature 3. Strong contacts over weak contacts
شمارۀ
SOWC

[Su(GC)]
[TaLo(GV)(GM)] )1(
Pcc 

(5.%Su4.%Cc3.%Lo2.%Ta%Fl).100(%)
500 )1(

126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

515493-1271117

شکل 3. تصاویر میکروسکوپی از مقاطع نازک ماسه سنگ های بررسی شده: ) Q:کوارتز ،F:
فلدسپار ،Cf: سیمان آهنی ،Cc: سیمان کلسیتی ،C: دانه های کلسیتی ،Lm: خرده سنگ دگرگونی ،Lv: خرده سنگ آتش فشانی ،Op: کانی های کدر ،Lo: تماس دانه ای از نوع خطی ،Co-Co: تماس دانه ای از نوع محدب- مقعر ،Su-c: تماس دانه ای از نوع مضرس(
انجمادپذیریهای بالایی
جدول 3. خصوصیات کانی شناسی و بافتی ماسه سنگ ها
نمونه ماسه سنگ (%) ترکیب نسبی طبق هبندی ماسه سن گها فولک )1380(
کوارتز فلدس ار قطعات خرده سنگی سیمان SOWC Pcc % دانه های
کلسیتی دگرگونی آتش فشانی آذرین چرت کربناته اکسید آهن A 19.2 4/0 19/1 1/4 11/0 – – 1 – 6/41 71/44 کالک لیتارنایت
B 19/8 4/1 41/1 0/4 17/1 – – 1 1 1/84 81/01 کالک لیتارنایت
C 13 8/1 91 11/1 8/1 – – 1/1 1 1/46 81/19 کالک لیتارنایت
CG 1 0 06 11 11 – 4 9 – 6/96 71/11 کالک لیتارنایت
S 11/1 1 16 19 8/1 7 – 1 – 6/13 18/41 فیلارنایت
S1 13/1 0 0 19/1 8/1 14 8 4/1 – 6/19 04/01 فیلارنایت
Sh 17/1 4 11/1 11 0/1 – – 4/1 – 1/66 78/71 کالک لیتارنایت
Tr 11 0/1 44/1 13/1 0/1 – – 1 – 6/91 09/67 کالک لیتارنایت
Min 14/1 9 01/1 19 9/1 – – 4/1 – 1/06 81/49 کالک لیتارنایت

خصوصیات فیزیکی و مکانیکی ماسه سنگ ها
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

در این بخش از بررسی ها، خصوصیات فیزیکی و مکانیکی ماسه سنگ ها با استفاده از استانداردهای ASTM, C830 و 7002 ,ISRM تعیین شد. خصوصیات فیزیکی نمونه ها شامل وزن واحد حجم خشک و اشباع، اندازه گیری سرعت عبور موج در حالت خشک و اشباع، تخلخل مؤثر و جذب آب ]18[ با استفاده از آزمایش های آزمایشگاهی و مطابق با استاندارد )ASTM (ASTM, 2000 تعیین شد. به منظور تعیین ویژگی های مذکور از نمونه های استوانه ای شکل استفاده شد. هم چنین خصوصیات مکانیکی شامل شاخص بار نقطه ای و مقاومت کششی برزیلی بر روی نمونه هایی با قطر 14 میلی متر و نسبت طول به قطر 1-9/6 )برای آزمایش بار نقطه ای در حالت محوری( و نسبت طول به قطر 71/6-1/6 )برای آزمایش برزیلی( انجام شد.
نتایج در جدول 1 آورده شده است.
آزمایش ذوب- انجماد
هدف اصلی از انجام آزمایش ذوب- انجماد، شبیه سازی شرایط طبیعی و ایجاد تنش هایی است که ممکن است در داخل سنگ و در اثر تبدیل آب به یخ ایجاد شوند. این اثرات معمولامعمولاً همراه با تغییرات دمایی در محدودۀ زیر صفر و بالای صفر و در نمونه های حاوی مقدار مشخصی آب روی می دهند ]11[. به منظور انجام آزمایش ذوب- انجماد در این پژوهش، ابتدا نمونه های استوانه ای از
ماسه سنگ برای اشباع شدن، به مدت 14 ساعت در داخل آب غوطه ور شدند. پس از اشباع کامل ،نمونه ها به مدت 11 ساعت داخل فریزری با دمای 16- قرار داده شده و پس از انجماد کامل، به مدت 0 ساعت به نمونه ها اجازه داده شد تا در دمای 16 درجه ذوب شوند. یک چرخۀ ذوب- انجماد در این بررسی 18 ساعت به طول انجامید و در نهایت 06 دور از آزمایش مذکور روی نمونه های ماسه سنگی انجام گرفت. به منظور بررسی اثر ذوب- انجماد بر خصوصیات فیزیکی و مکانیکی ماسه سنگ های بررسی شده پارامترهایی از قبیل درصد افت وزنی )وزن اولیۀ نمونه ها- وزن نمونه ها پس از سیکل معینی از آزمایش/ وزن اولیۀ نمونه ها 166×(، درصد افت سرعت عبور موج و هم چنین مقاومت کششی برزیلی و مقاومت بار نقطه ای در انتهای دور های 11، 96 و 06 تعیین شدند. در شکل 9 تغییرات خصوصیات فیزیکی و مکانیکی با چرخه های آزمایش ذوب-انجماد نشان داده شده است.
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

جدول 3: خصوصیات فیزیکی و مکانیکی ماسه سنگ های بررسی شده
نام ماسه سنگ تخلخل
مؤثر )%( وزن واحد حجم خشک میانگین
)gr/cm3( وزن واحد
حجم اشباع میانگین
)gr/cm3( میانگین سرعت عبور موج در حالت
)m/sec( خشک میانگین سرعت عبور موج در حالت
)m/sec( اشباع میانگین شاخص جذب آب )%( میانگین شاخص بار
نقط های تصحیح شده در حالت خشک )MPa( میانگین مقاومت
کششی برزیلی در حالت خشک
)MPa(
A 0/01 1/44 1/11 9444/13 9436/41 1/79 4/11 0/44
B 1/60 1/13 1/06 4011/13 4781/80 6/41 3/94 18/11
C 1/14 1/11 1/18 9014/69 4686/61 1 7/3 19/99
CG 7/19 1/46 1/48 1310/61 9179/84 9/61 0/1 7/38
S 11/10 1/60 1/18 1941/13 1688/00 1/11 1/19 1/83
S1 11/19 1/68 1/13 1710/43 1413/11 1/91 6/3 1/11
Min 9/64 1/18 1/01 9164/04 9301/01 1/18 8/71 10/61
Tr 8/18 1/94 1/41 1484/86 1714/80 9/14 88/9 0/9
Sh 1/83 1/14 1/10 9493/71 9361/86 1/14 7/7 19/14

الف
شکل 5. تغییر خصوصیات فیزیکی و مکانیکی ماسه سنگ های بررسی شده با سیکل های پدیدۀ ذوب- انجماد: الف( درصد افت وزنی ،

ب
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:33 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.1.3351 ]

ج
شکل 5. تغییر خصوصیات فیزیکی و مکانیکی ماسه سنگهای بررسی شده با سیکل های پدیدۀ
ذوب- انجماد: ب( درصد افت سرعت عبور موج، ج( شاخص بار نقطه ای تصحیح شده ،



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید