نشریه زمین شناسی مهندسی، جلد دهم، شمارۀ 3 پاییز 5331 9463

بررسی اثر رطوبت، دما و فشار بر مقدار سختی
واجهشی چکش اشمیت در سنگهای مختلف

هادی عطاپور*؛ دانشگاه علم و صنعت ایران، واحد اراک، محمدرضا اکبری؛ دانشگاه صنعتی اصفهان، مهدی ترکاشوند؛ دانشگاه تهران
تاریخ: دریافت 22/7/32 پذیرش 3/51/33 چکیده
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3649 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3649 ]

چکش اشمیت امکان اندازه گیری سریع و ارزان سختی سطح سنگ را به صورت برجا و آزمایشگاهی فراهم می آورد. این پارامتر به طور گسترده در تخمین خواص مکانیکی سنگ ها از جمله مقاومت فشاری تک محوره و ضریب یانگ استفاده می شود. سختی واجهشی چکش اشمیت هم چنین می تواند در ارزیابی کیفیت ساختاری سنگ ،پیش بینی پارامترهای حفرپذیری5 و برش پذیری2 و میزان سایندگی سنگ ،هوازدگی آن و تعیین مقاومت دیوارۀ درزه استفاده شود. عوامل مختلفی مانند ابعاد نمونۀ آزمایش شده، زبری سطح، هوازدگی، محتوای رطوبت، نوع چکش اشمیت و روش اندازهگیری و غیره بر نتایج سختی واجهشی اشمیت اثر می گذارند.
99671989455

در مقالۀ حاضر بعد از مرور نتایج تحقیق های اخیر انجام گرفته در زمینۀ تأثیرات این عوامل ،به بررسی آزمایشگاهی اثر عوامل رطوبت، درجۀ حرارت و بارگذاری تک محوری بر سختی واجهشی اشمیت چندین نوع سنگ سالم و نیز نمونۀ بتن پرداخته شده است. نتایج حاصل نشان داد که رطوبت عموماًعموما سبب کاهش مقدار سختی واجهشی اشمیت سنگ می شود. میزان این کاهش وابسته به نوع سنگ است. هم چنین دما تأثیر زیادی بر مقدار سختی واجهشی اشمیت دارد. رابطۀ بین کاهش سختی با افزایش حرارت برای سنگ های آزمایش شده، به شکل خطی بوده است. از طرفی اندازه گیری سختی نمونۀ تحت بارگذاری تک محوره نشان داد که اعمال بار روی سنگ، سبب افـزایش سختی واجهشی اشمیت نمونه م یشود. به این امر باید
.1 Excavability, drillability [email protected] نویسنده مسئول *
.2 Cuttability
9463
اندازه گیری برجای سختی در دیوارۀ فضاهای زیرزمینی که سنگ ها تحت بارگذاری قرار دارند ،مورد توجه قرار گیرد.
واژه های کلیدی: سختی واجهشی چکش اشمیت، رطوبت، درجه حرارت، بارگذاری تک محوره

مقدمه
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3649 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3649 ]

سختی سنگ از ویژگی هایی است که مقاومت آن را در مقابل تغییر شکل ماندگار نشان می دهد. چندین عامل سختی سنگ ها را کنترل می کنند. از جملۀ این عوامل می توان به ترکیب کانی شناسی، مواد سیمانی سنگ و چگالی آن اشاره کرد. روش های مختلفی از قبیل سختی شور5، موس و سختی واجهشی چکش اشمیت )SRH( برای ارزیابی سختی سطح سنگ ها در فعالی تهای مهندسی به کار گرفته شده است. سختی واجهشی چکش اشمیت )SRH( بیش از نیم قرن است که به طور گسترده استفاده شود. این وسیله به علت قابل حمل بودن، سادگی، سرعت اندازه گیری و غیرمخرب بودن به طور فزای ندهای در سطح جهان در حال ب هکارگیری است ]5[. از دیگر مزایای چکش اشمیت می توان به امکان انجام آزمایشگاهی و نیز اجرای برجای آزمایش اشاره کرد ]51[. در تحقیقی که ترابی و جوانشیر )5331( انجام داده اند، اعتبار کاربرد چکش اشمیت به صورت برجا در برآورد مقاومت سنگ در معدن زغال سنگ طرزه ارزیابی شده است.
چکش اشمیت ابتدا به عنوان ابزاری برای آزمایش غیرمخرب بتن )ب هعنوان ماده ای مهندسی( در اواخر دهۀ 5391 توسعه یافت. سپس از اوایل دهۀ 5391 در مکانیک سنگ )به عنوان ماده ای طبیعی( به طور عمده برای تخمین مقاومت فشاری تک محوره و ضریب یانگ سنگ استفاده شد. از طرفی امروزه اغلب برای ارزیابی قابلیت حفاری و قابلیت برش پذیری سنگ، در کنار عواملی همچون ترکیب کانی شناسی، اندازۀ دانه ها و شکنندگی سنگ، از سختی سنگ استفاده می شود ]21[. هم چنین از چکش اشمیت جهت تعیین کیفیت سنگ در صنعت معدن )در 9463
ساخت سازه های سنگی در روش جبهه کار طولانی، روش اتاق پایه و معدن کاری روباز(، صنعت تونل کاری و سدسازی استفاده می شود ]53[. از دیگر کاربردهای سختی واجهشی اشمیت که گوکتان و گونس )2111( شرح داده اند، می توان به این موارد اشاره کرد: تعیین وضعیت هوازدگی سنگ ]7[، ]57[، ارزیابی ناپیوستگی های توده سنگ ]22[، اجرای TBM و رودهدر ]1[، ]3[، ارزیابی میزان نفوذ دستگاه حفاری ]52[، ]53[، ]59[، تعیین مقاومت دیوارۀ درزه ]51[.
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3649 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3649 ]

با توجه با تاریخ طولانی و استفادۀ گسترده از پارامتر سختی واجهشی اشمیت، انتظار می رود که استانداردهای استفاده شده برای آزمایش چکش اشمیت 5ISRM2 ،)2115( ASTM )5373(، سبب اندازهگیری مقادیر معتبر و تکرارپذیر سختی برای انواع مختلف سنگ ها شوند. تحقیقات منتشر شده بی شتر بر روش های جمع آوری داده ها و توسعۀ روابط هم بستگی جدید )بین سختی و دیگر پارامترهای سنگ( برای سنگهای متفاوت متمرکز شده اند. در هر حال اثر عواملی مانند ابعاد نمونۀ آزمایش شده، زبری سطح ،محتوای رطوبت، هوازدگی و غیره بر سختی واجهشی اشمیت، موجب تضعیف اطمینان پذیری نتایج چکش اشمیت می شود ]9[. بنابراین با شناخت این عوامل و اثر آن ها، باید تا حد امکان تأثیر این عوامل را از سختی اندازه گیری شده حذف کرد تا عدد به دست آمده معرف واقعی سنگ بوده و تکرارپذیر باشد.
این مقاله به بررسی آزمایشگاهی اثر درجۀ حرارت، رطوبت و بارگذاری تک محوره بر سختی واجهشی اشمیت در سنگ های مختلف می پردازد. به طوری که با آگاهی از اثرات این عوامل و در نظر داشتن آن ها در آزمای شها می توان ضمن کاستن از پراکندگی داده های حاصل از چکش اشمیت، سبب افزایش اعتبار و اطمینان به نتایج آن شد.
بررسی های آزمایشگاهی
3. آماده سازی نمونه ها
برای بررسی اثر عوامل رطوبت و درجه حرارت بر مقدار سختی حاصل از چکش اشمیت، نمونه هایی از سنگ های گرانیت، تراورتن، ماسه سنگ، مرمر و بتن به شکل مکعب هایی با حدود

1. American society for testing and materials
.2 International society rock mechanics

9463
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3649 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3649 ]

میانگین ابعادی 511×512×551 میلی متر و هم چنین از سنگ آهک مغزۀ با قطر و طول برابر با 7/93 و 3/93 میلی متر تهیه شد. در شکل 5 برخی از این نمونه ها نشان داده شده اند. نمونه ها در تحقیق حاضر با رعایت ابعاد پیشنهادی استاندارد ISRM تهیه شده اند. نمونه ها طوری تهیه شدند که عاری از هر گونه شکستگی یا ضعف ساختاری باشند. سطوح آزمایش شده نیز کاملاًکاملا صاف و بدون ناهمواری بوده است. برخی از خواص فیزیکی این نمونه ها در جدول 2 خلاصه شده است.

الف

ب

الف

ب

ج
شکل 3. نمونه های آزمایش شده شامل الف( سنگ مرمر، ب( آهک و پ( نمونۀ بتن

9469
جدول 3. خواص فیزیکی نمونه های آزمایش شده
گرانیت تراورتن ماسه سنگ سنگ آهک بتن مرمر
چگالی خشک )3gr/mm( 2/95 2/1 2/39 2/22 2/35 2/77
تخلخل % 2/97 9/52 9/7 5/2 59/39 5/21
3. جزئیات آزمایش ها
126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3649 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3649 ]

برای تعیین سختی، از چکش اشمیت نوع N استفاده شد. اندازه گیری ها طبق استاندارد ISRM انجام گرفت. به طوری که نمونه ها روی پایه ای فلزی قرار داده شد تا در حین انجام آزمایش هیچ حرکتی در آن ها ایجاد نشود )شکل 2(. سپس چکش اشمیت به شکل عمودی رو به پایین روی نمونه ها قرار گرفت و 21 قرائت در نقاط مختلف نمونه ها برداشت شد. سپس داده ها به شکل نزولی مرتب شد و بعد از حذف 51 قرائت پایین تر، از بقیۀ داده ها میانگین گرفته شد و به عنوان سختی نمونه ها در نظر گرفته شد.

شکل 3. چکش اشمیت به همراه پایۀ فلزی سنگین
برای بررسی اثر رطوبت بر سختی واجهشی اشمیت سنگ های آزمایش شده، نمونه ها در دو حالت اشباع و خشک تحت آزمایش چکش اشمیت قرار گرفتند. برای انجام آزمایش در 9466
حالت اشباع، ابتدا نمونه ها حدود 9 ساعت در آب غوطه ور شدند. سپس نمونه ها از آب خارج و بعد از خشک کردن آب سطح نمونه ها، بلافاصله سختی آن ها تعیین شد.
به منظور بررسی اثر درجه حرارت بر سختی واجهشی اشمیت، نمونه ها در دماهای مختلف شامل دمای طبیعی آزمایشگاه ،551، 251، 211 و 111 درجۀ سانتی گراد با چکش اشمیت آزمایش شدند. برای هر یک از دماهای فوق، نمونه ها در حدود 9 ساعت در داخل کوره قرار گرفته و سپس بلافاصله بعد از خروج از کوره سختی آن ها اندازه گیری شد.
برای بررسی اثر فشار اعمالی بر سنگ بر روی سختی اندازه گیری شده، نمونۀ آزمایش شده به شکل محوری طی چندین مرحله تحت بارگذاری قرار گرفت و در هر سطح بارگذاری سختی نمونه اندازه گیری شد. در این حالت نمونه به شکل قائم تحت بارگذاری تک محوره قرار گرفته و چکش اشمیت به شکل افقی برای برداشت سختی استفاده شد.

126873790194

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3649 ]

Downloaded from jeg.khu.ac.ir at 11:32 IRST on Saturday October 28th 2017 [ DOI: 10.18869/acadpub.jeg.10.3.3649 ]

نتایج و بحث
3. اثر رطوبت بر سختی
یکی از نکته های مهمی که در پژوهش های نمونه ها در آزمایشگاه اهمیت دارد ،توجه به تغییرات رطوبت نمونه در طی مراحل نمونه گیری، انتقال و نگه داری در آزمایشگاه نسبت به رطوبت طبیعی و برجای سنگ ها است. زیرا تغییرات محتوای رطوبت می تواند خواص مکانیکی سنگ ها را تحت تأثیر قرار دهد. به منظور بررسی اثر رطوبت بر سختی واجهشی اشمیت سنگ ها، چندین نوع سنگ در حالت خشک و اشباع آزمایش شدند. نمودار شکل 3، اثر رطوبت را بر سختی واجهشی اشمیت نشان می دهد. چنان که در این شکل مشخص است ،برای نمونه های مرمر، بتن، ماسه سنگ و تراورتن سختی واجهشی اشمیت در حالت اشباع نسبت به حالت خشک کاهش یافته است. برای نمونۀ گرانیت و سنگ آهک سختی تغییر محسوسی نداشته و در حد بسیار اندکی افزایش نشان داده است. علت این که سختی نمونه های گرانیت و سنگ آهک چندان تحت تأثیر رطوبت قرار نگرفته اند، می تواند مربوط به تخلخل کم این نمونه ها به همراه بافت متراکم و پیوستۀ این سنگ ها باشد. در هر صورت سختی نمونۀ 9466
مرمر با وجود تخلخل کم، با رطوبت کاهش یافته است. این امر می تواند مرتبط با بافت ضعیف و دانه ای سنگ مرمر استفاده شده در آزمایش باشد.
734502-819395

سختی

چکش

اشمیت

سختی



قیمت: تومان

دسته بندی : زمین شناسی

دیدگاهتان را بنویسید