اهمیت آزمایش تعیین مقاومت فشاری ماده سنگ در مهندسی عمران

آزمایش‌های مختلفی برای تعیین مقاومت فشاری و دیگر شاخصه‌های مقاومتی مهم سنگ‌های ساختمانی وجود دارد که آزمایش تعیین مقاومت فشاری ماده سنگ تنها یک نمونه از آن‌ها است. قبل از آغاز پروژه‌هایی مانند پایدارسازی گود عمیق، سدسازی، راه‌سازی، معادن و غیره و اقدام به استارت زدن ساخت‌وساز، میزان مقاومت مصالح مختلف ساختمانی از جمله سنگدانه ها، ریزدانه‌ها، بتن و سنگ‌های ساختمانی باید مورد تست و آزمایش قرار بگیرند تا ارزش و مقدار ریسک آن‌ها مشخص شود. تست فشرده‌سازی نامحدود یا همان آزمایش تعیین مقاومت فشاری تک‌محوره ماده سنگ یک تست آزمایشگاهی است که برای استخراج مقاومت فشاری تأیید نشده (UCS) یک نمونه سنگ استفاده می‌شود. مقاومت فشاری تأیید نشده (UCS) معادل با حداکثر تنش فشاری محوری است که یک نمونه سنگ ساختمانی می‌تواند تحت تنش محصورکننده صفر تحمل کند.

بیشتر بخوانید: آزمایش بررسی خاک

با توجه به اینکه تنش در آزمایش تعیین مقاومت فشاری ماده سنگ در امتداد محور طولی اعمال می‌شود، آزمون فشرده‌سازی نامحدود به‌عنوان تست فشرده‌سازی تک‌محوری نیز شناخته می‌شود. UCS پارامتری است که به‌طور گسترده در طراحی ژئوتکنیکی استفاده می‌شود؛ اما ممکن است مقاومت درجا را نشان ندهد. در مقیاس بزرگ، ویژگی‌های توده سنگ به‌شدت تحت تأثیر عوامل دیگری از جمله ناپیوستگی‌ها، گسل‌ها و هوازدگی قرار می‌گیرند. برای آشنایی بیشتر با مواد مورد نیاز، دستگاه‌ها و همچنین روش آزمایش تعیین مقاومت فشاری ماده سنگ و تفسیر نتایج آن، تا انتهای این مطلب ما را همراهی کنید.

آزمایش تعیین مقاومت فشاری ماده سنگ

در طول آزمایش، جدا از بار محوری، تغییر شکل محوری و جانبی معمولاً برای استخراج مدول الاستیک نمونه و نسبت پواسون اندازه‌گیری می‌شود. روش آزمایشگاهی شامل موارد زیر است:

نمونه‌برداری

نمونه‌های مورد استفاده در آزمایش تعیین مقاومت فشاری ماده سنگ، توسط هسته‌های مته بازیابی می‌شوند و با احتیاط انتخاب می‌شوند تا نماینده سازند سنگ اصلی باشند. قطر یک نمونه باید حداقل ۴۷ میلی‌متر و ۱۰ برابر بزرگ‌تر از اندازه بزرگ‌ترین دانه معدنی باشد (یا ۶ برابر برای سنگ‌های ضعیف‌تر مانند ماسه سنگ‌ها و سنگ‌های مارن).

نسبت طول نمونه‌ها به قطر (L/D) طبق استاندارد ASTM (انجمن آزمایش و مواد آمریکا) باید بین ۲.۰ تا ۲.۵ و طبق ISRM (انجمن بین‌المللی مکانیک سنگ) ۲.۵ تا ۳.۰ باشد. سطوح استوانه‌ای به‌گونه‌ای آماده می‌شوند که صاف و صیقلی باشند. به‌طور خاص، انتهای نمونه باید با تلورانس ۰.۰۲ میلی‌متر تراز شوند و نباید بیش از ۰.۰۶ درجه از عمود بر هم خارج شوند. حداقل ۵ نمونه برای دستیابی به مقدار قابل اعتماد UCS مورد نیاز است.

دستگاه

دستگاه مورد استفاده برای انجام تست فشرده‌سازی نامحدود شامل بخش‌های زیر است:

دستگاه بارگیری: دستگاه بارگیری باید به‌گونه‌ای طراحی شود که بار را با نرخ مورد نیاز تا پایان آزمایش، به‌طور مداوم اعمال کند. آزمایش ممکن است تحت کنترل استرس یا فشار باشد. فقط دستگاه‌های کنترل‌شده با کرنش می‌توانند رفتار پس از شکست یک ماده را ثبت کنند. مشخصات این دستگاه باید با مشخصات استانداردهای بین‌المللی مطابقت داشته باشد.

صفحات: تنش محوری اعمال‌شده توسط دستگاه بارگذاری توسط دو صفحه فولادی که با حداقل سختی راکول ۵۸ ساخته شده‌اند، به نمونه منتقل می‌شود. قطر آن‌ها باید حداقل برابر با قطر نمونه یا حداکثر ۲ میلی‌متر بیشتر از آن باشد. نسبت طول به قطر نیز باید حداقل ۰.۵ باشد. مرکز انحنای مفصل باید بر مرکز سطح مقطع نمونه آزمایش منطبق باشد.

بیشتر بخوانید: انکراژ (مهارگذاری) چیست؟

نمونه آزمایش مورد نیاز برای آزمایش تعیین مقاومت فشاری ماده سنگ

نمونه آزمایش مورد نیاز برای آزمایش تعیین مقاومت فشاری ماده سنگ باید شرایط زیر را داشته باشد:

• برای انجام این آزمایش به یک نمونه استوانه‌ای با نسبت ارتفاع به قطر ۲ تا ۳ نیاز خواهیم داشت. قطر نمونه نباید از قطر مغزه‌های با اندازه NX (حدود ۵۴ میلی‌متر) کم‌تر باشد. همچنین حداقل قطر سنگ نمونه باید ۱۰ برابر از بزرگ‌ترین سنگدانه تشکیل‌دهنده آن، بزرگ‌تر انتخاب شود.
• دو انتهای نمونه باید با دقت ۰.۰۲ میلی‌متر تراز شوند و میزان انحراف آن از راستای محور عمودی از ۰.۰۰۱ رادیان (۰.۰۵ میلی‌متر در ۵۰ میلی‌متر) بیشتر نشود.
• سطح بیرونی سنگ نمونه باید کاملاً صاف و صیقلی باشد. همچنین لازم است مقدار انحراف سطح جانبی نمونه در تمام ارتفاع سنگ، کمتر از ۰.۳ میلی‌متر باشد.
• قطر نمونه در بالا، پایین و وسط نمونه باید با دقت ۰.۱ میلی‌متر اندازه‌گیری شود. سپس میانگین مقادیر یادداشت‌شده برای محاسبه سطح مقطع مورد استفاده قرار بگیرد.
• نگهداری نمونه‌سنگ‌ها در انبار نیز شرایط خاصی دارد. این نمونه‌ها باید به‌گونه‌ای نگهداری شوند که رطوبت طبیعی خود را حفظ کنند. کم و زیاد شدن رطوبت نمونه سنگ می‌تواند نتایج آزمایش را تغییر دهد. نمونه سنگ‌ها را بیش از یک ماه انبار نکنید.
• برای انجام این آزمایش به حداقل ۵ نمونه سنگ نیاز داریم تا نتایج آزمایش دقیق‌تر و قابل استنادتر شوند.

روش انجام آزمایش تعیین مقاومت فشاری ماده سنگ

برای انجام آزمایش تعیین مقاومت فشاری ماده سنگ مراحل زیر را به ترتیب طی کنید:

۱. دستگاه را چک کنید. مفصل‌های دستگاه باید اجازه حرکت و گردش آزادانه را داشته باشند.

۲. صفحات بارگذاری بالا و پایین را تمیز و گردگیری کنید. نمونه را به‌گونه‌ای روی محور صفحات قرار دهید که مرکز نمونه با مرکز محور صفحه که همان مرکز دوران مفصل‌های کروی دستگاه خواهد بود، در یک امتداد قرار بگیرد. بخش متحرک مفصل کروی را به نحوی تنظیم کنید تا سطح سنگ نمونه را به‌طور کامل پوشش بدهد. سپس بار را به‌تدریج و به‌آرامی روی نمونه سنگ اعمال کنید.

۳. دقت داشته باشید که اعمال بار باید به‌صورت پیوسته و کاملاً تحت کنترل باشد، به‌گونه‌ای که هیچ ضربه‌ای به بار وارد نشود. وارد کردن ضربه به نمونه سنگ می‌تواند نتایج نهایی را تحت تأثیر قرار دهد. بیشترین بار اعمالی بر سنگ نمونه با دقت ۱ درصد (برحسب کیلو نیوتن یا مگانیوتن) محاسبه و یادداشت می‌شود. اگر بتوانید بار را به‌صورت پیوسته و بدون وارد کردن ضربه به نمونه اعمال کنید، نتایج در بازه زمانی ۵ الی ۱۰ دقیقه‌ای حاصل خواهند شد.

بیشتر بخوانید: کاربرد استرات(مهار متقابل)

نتایج آزمایش تعیین مقاومت فشاری ماده سنگ

در انتها مقاومت فشاری سنگ نمونه به‌عنوان تنش شکست، بر حسب پوند بر اینچ مربع (lbs/in2) یا مگا پاسکال (MPa) اندازه‌گیری می‌شود. عدد نهایی که از این آزمایش به‌عنوان مقاومت فشاری سنگ به دست می‌آید، بسیار بیشتر از مقدار بار واقعی است که سنگ نمونه باید در پروژه‌های عمرانی در برابر آن مقاومت کند.

عوامل زیر می‌توانند در تعیین مقاومت فشاری ماده سنگ تأثیرگذار باشند:

• ترکیب کانی‌های سازنده نمونه سنگ
• اندازه ذرات تشکیل‌دهنده سنگ
• سلامت سنگ
• تخلخل سنگ
• ابعاد نمونه
• سرعت و ضرب آهنگ اعمال نیرو به نمونه سنگ

محاسبات نهایی طبق فرمول‌های زیر انجام می‌شوند:

σc= F/A  ،ea=DL/L    ،ed=Dd/d      ،n= ea/ed     ،    E=σ/e

σc: مقاومت فشاری تک‌محوری (MPa)

F: حداکثر بار وارده (gr)

A: سطح مقطع اولیه نمونه

ea: کرنش محوری ، L : طول اولیه نمونه ، DL : تغییرات طولی نمونه

ed: کرنش قطری ، d : قطر اولیه نمونه ،  Dd : تغییر قطر نمونه

n: ضریب پواسون ، E: مدول الاستیسیته (یانگ)

سخن پایانی

در این مقاله در مورد آزمایش تعیین مقاومت فشاری ماده سنگ صحبت کردیم و از نزدیک با روش این آزمایش، هدف از انجام آزمایش تعیین مقاومت فشاری ماده سنگ، تجهیزات و مواد مورد نیاز و فرمول‌های محاسبه مقاومت فشاری ماده سنگ آشنا شدیم. انجام این آزمایش قبل از آغاز پروژه‌هایی مانند پایدارسازی گودهای عمیق، سدسازی، راه‌سازی، معادن و پروژه‌های عمرانی مشابه، الزامی است.