مقاومت فشاری سنگ ها چیست؟ دانستن آن چه ضرورتی دارد؟ تست و نحوه ی محاسبه آن به چه صورت است؟ چه عواملی بر این پارامتر مهم تاثیرگذارند؟
در این مقاله با بهره گیری از منابع معتبر، به طور کاملا علمی، به تمامی این سوالات پاسخ داده ایم. پس تا پایان مقاله همراه ما باشید.
در سرتاسر پوسته ی این کره خاکی، شاهد وجود گونه های مختلف سنگ، اعم از انواع سنگ های ساختمانی ، سنگ های معدنی، زغال سنگ ها و… هستیم. همانطور که از نامشان پیداست، شماری از آن ها در صنعت ساختمان، سدسازی و… ، شمار دیگری برای استخراج فلزهای ارزشمند، برخی دیگر نیز به عنوان سوخت، مصالح ساختمانی و … مورد استفاده قرار می گیرند.
در این میان سنگ های رسوبی بیش از 70% سنگ های کره زمین را تشکیل داده اند. این سنگ ها از یک سو خاستگاه منابع مهمی همچون زغال سنگ و نفت هستند و از سوی دیگر درتامین مصالح ساختمانی ایفای نقش می کنند. بنابراین مهندسان برای احداث سد، تونل و راه سازی با این دسته سنگ ها سروکار بیش تری دارند. به همین خاطر شناخت این سنگ ها، برای مقابله و رفع بسیاری از مشکلات و مسائلی که ممکن است برایشان دردسرساز باشد، ضروری است.
یکی از زیرگروه های مهم سنگ های رسوبی، سنگ های کربناته هستند. جالب است بدانید که این دسته سنگ ها، علاوه بر مصارف نامبرده، حدود نیمی از مخازن نفتی دنیا را به خود اختصاص داده اند. در ایران نیز 11% مساحت کشور را این سنگ ها پوشانده اند. سنگ های کربناته یکی از پرمصرف ترین سنگ های حوزه ساختمان هستد که در انواع مختلفی وجود دارند.
همانطور که می دانید سنگ ها و کاربردشان طیف گسترده ای را شامل می شوند. اما آنچه برای ما در این مقاله اهمیت دارد، مقاومت فشاری سنگ های مورد مصرف در حوزه ساختمان و راه سازی… است. به همین خاطر سخن را کوتاه نموده و به سراغ موضوع اصلی می رویم:
آزمایش مقاومت فشاری سنگ ها
از آزمایش های به ظاهر ساده، اما سختی که برای مطالعات سنگ و توصیف رفتار مقاومتی سنگ ها صورت می گیرد؛ مقاومت فشاری تک محوری (UCS) است. این آزمایش را می توان به دو صورت مستقیم ( در آزمایشگاه) وغیرمستقیم ( آزمایش چکش اشمیت) انجام داد که راه دوم سریع تر، آسان تر و ارزان تر می باشد.
مدول یانگ
مدول یانگ یا ضریب الاستیک یکی از پارامترهای مهمی است که طی این آزمایش به دست می‌‌آید. مدول یانگ، نوع و میزان تغییر شکل سنگ در اثر اعمال نیرو را نشان می‌‌دهد. این آزمایش در بررسی کاربرد سنگ‌‌های ساختمانی اهمیت دارد. به طوری که می‌‌توان به کمک آن میزان نیرویی را که سنگ می‌‌تواند بدون گسیختگی تحمل کند نشان دهد. یا می‌‌توان با در نظرگیری میزان نیرو در یک موقعیت، نوع سنگ مناسب را برای آن کاربری انتخاب کرد.
جزئیات ابزار و نحوه‌‌ی انجام این آزمایش در استاندارد ASTM D7012-10: 2011 به تفصیل ارائه شده است. علاوه بر استاندارد ASTM، استانداردهای دیگری چون EN که مختص اروپا و DN که مختص کشور آلمان هستند، تعریف شدهاند.
تست استاندارد ASTM C170 برای تعیین مقاومت فشاری سنگ ها
ASTM C170 روش تست استاندارد برای مقاومت فشاری سنگ ابعادی: این آزمایش مقاومت سنگ را در برابر فشار خرد شدن اندازه گیری می کند.
مقاومت فشاری سنگ یکی از موارد مهم در میان تست های استاندارد سنگ است که باید به آن دقت شود. مثلااگر سنگ در ظرفیت سازه ای استفاده می شود، باید داده های آزمایشی را برای مقاومت فشاری و مقاومت خمشی به دقت بررسی نمود.
یا اگر قرار است از سنگ در مناطقی از کف استفاده شود که تردد وجود دارد، باید از نظر سختی سایشی و مقاومت آزمایش شود. شایان ذکر است که جذب و چگالی نیز از دیگرملاحظات مهم در خصوص سنگ کف هستندکه باید درنظر گرفته شوند.
ارزیابی مقاومت فشاری و خمشی سنگ
از آنجایی که استحکام برای کاربردهای فضای باز بسیار مهم است، بیایید نگاهی دقیق‌تر به تست‌های ASTM بیندازیم که مقاومت فشاری و خمشی را ارزیابی می‌کنند.
برای انجام تست ASTM C170 نیاز به نمونه های مکعبی یا استوانه ای است که در همه ابعاد بین 2 تا 3 اینچ اندازه می شود. اعمال فشار بر روی سنگ تا زمانی انجام می شود که سنگ “خرد شود”.
مقاومت فشاری نمونه به عنوان تنش شکست بر حسب پوند بر اینچ مربع (lbs/in2) یا MPa گزارش می‌شود.حداقل پنج نمونه برای هر یک از چهار حالت باید آزمایش شوند و باید تا حد امکان سالم، صاف و عاری از شیار یا سایر عیوب باشند. زیرا این موارد می‌توانند بر استحکام تأثیر منفی بگذارند.
هرچه مقاومت فشاری سنگ بالاتر باشد، نشان از تحمل بار بیشتر است. باتوجه به مشخصه های هر گروه از سنگ ها، حداقل مقادیر مقاومت فشاری را برای هر نوع سنگ می توان بیان کرد. به طور مثال:
- مقاومت فشاری سنگ مرمر 1800 psi (12.45 مگاپاسکال)
- مقاومت فشاری سنگ گرانیت 19000 psi (131 مگاپاسکال)
مقاومت فشاری یا باری که سنگ در آن شکست می خورد، معمولاً بسیار بیشتر از بار واقعی است که سنگ باید در برابر آن مقاومت کند. این صنعت فاکتورهای ایمنی را برای انواع مختلف سنگ ایجاد کرده است که به تعیین بار مجاز برای آن سنگ کمک می کند. به عنوان مثال، اگر ضریب ایمنی برای یک سنگ 4 باشد، مقاومت فشاری آن سنگ را بر 4 تقسیم کنید تا حداکثر بار مجاز آن سنگ بدست آید.حال بهتر است به بررسی عواملی که بر مقاومت فشاری تک محوری سنگ اثرگذارند بپردازیم:
عوامل موثر بر مقاومت فشاری تک محوره سنگ
- ترکیب کانی های سازنده
- اندازه ذرات تشکیل دهنده سنگ
- سلامت سنگ
- تخلخل سنگ
- ابعاد نمونه
- سرعت اعمال نیرو بر سنگ
ترکیب کانی های سازنده
هرچه کانی های تشکیل دهنده سنگ مقاوم تر باشند، درنتیجه سنگ نیز مقاومت بیشتری خواهد داشت. مثلا سنگ های آذرین مثل بازالت و گرانیت به دلیل نوع ساختار و وجود کوارتز بسیار، مقاومت بسیار بیشتری نسبت به سنگ های کربناته و رسوبی دارند.
اندازه ذرات تشکیل دهنده سنگ
هرچه میزان ذرات سازنده سنگ کوچکتر باشد و بلورهای ریزتری داشته باشند، مقاومت سنگ نیز افزایش خواهد یافت.
سلامت سنگ
وجود زنجیرها، رگه های آهکی، فسیلی و دیگر ناخالصی ها درسنگ، به عنوان عوامل تضعیف کننده سنگ، شناخته می شوند که در مقاومت سنگ تاثیرگذار است. همچنین وجود ترک و ریزترک در سنگ می تواند از مقاومت آن بکاهد که در صنعت سنگ ساختمان برای ترمیم این موارد از مواد پرکننده ورزینی کمک می گیرند. حال اگر این ترک ها و راه نفوذ به داخل سنگ گرفته نشود، با نفوذ آب به داخل سنگ و انجماد آن در حفره ها و ترک ها، موجب عمیق تر شدن این شکاف ها و باز شدن ترک های بیشتر می شود. به همین خاطر بر اثر فشارهای ناشی از انبساط و انقباض، مقاومت سنگ کمتر و درنتیجه شکسته می شود.
تخلخل سنگ
مقاومت فشاری سنگ با میزان تخلخل و دانسیته سنگ رابطه تنگاتنگی دارد. به طوریکه هرچه سنگ دانسیته بالاتری داشته باشد و میزان حفرات داخل بافتش کمتر باشد،مقاومت بیشتری خواهد داشت.
ابعاد نمونه
همانطور که پیش ترهم اشاره شد برای نمونه از تکه سنگ هایی به شکل استوانه و حتی مکعبی استفاده می شود. طبق ازمایشات صورت گرفته هرچه ضخامت ( یا قطر ) نمونه نسبت به طول آن بیشتر شود، مقاومت نیز افزایش خواهد یافت.
سرعت اعمال نیرو بر سنگ
هرچقدر نیروی وارد بر سنگ در زمان کوتاه تری وارد شود، سنگ مقاومت بیشتری از خود نشان می دهد. اما اگر همین نیرو در بازه زمانی طولانی تر اعمال شود، از مقاومت سنگ کاسته می شود. از این رو در ازمایشات سنگ، حد معینی برای این منظوردر نظر گرفته می شود.
