بخشی از مقاله
چکیده
ثابتهای الاستیک استاتیکی و دینامیکی سنگ نمک از جمله پارامترهای مهم در طراحی و تحلیل پایداری مغارهای ذخیرهسازی سیالات نفتی، گاز طبیعی، انرژی هوای فشرده، دفن زبالههای اتمی و پایههای کارگاهی و تونلهای معدنی در سنگ نمک است. کلیهی فضاهای زیرزمینی ذکر شده در طول عمر بهرهبرداری و بر حسب شرایط کاربرد آنها تحت تاثیر بارهای یکنواخت و تناوبی بلند مدت قرار دارند.
بر این اساس دو آزمون آزمایشگاهی خزشی تحت بار یکنواخت 5 مگاپاسکال به مدت 20 روز و 14 مگاپاسکال به مدت 15 روز و همچنین سه آزمون آزمایشگاهی بارگذاری تناوبی به مدت 25 روز و با سیکل دو روزه بر روی نمونههای سنگ نمک انجام شد. نمونههای سنگ نمک از هالیت با خلوص بیش از 98 هستند . جهت محاسبهی ثابتهای الاستیک دینامیکی سنگ نمک، آزمایشات اولتراسونیک قبل و بعد از انجام آزمونهای خزشی و بارگذاری تناوبی بر روی نمونهها انجام شد و نتایج مورد بحث و بررسی قرار گرفت.
-1 مقدمه
سنگ نمک رفتار مکانیکی پیچیدهای بر حسب شرایط متفاوت از خود نشان میدهد. به دلیل کاربرد گستردهای که این سنگ در ساخت و توسعه فضاهای بزرگ مقیاس زیرزمینی نظیر مغارهای ذخیرهسازی سیالات استراتژیک و یا لنگههای نمکی حایل بین مغارهای بزرگ مقیاس زیرزمینی دارد، مطالعات بسیاری برای درک بهتر خواص و رفتار این سنگ انجام شده است.
بررسی تحقیقات انجام شده نشان میدهد که مواردی چون سطح تنش، نرخ بارگذاری - باربرداری - ، دما، رطوبت، ابعاد دانهها و غیره تأثیر زیادی بر رفتار این سنگ دارند. مطالعه رفتار تغییر شکل سنگ نمک نشان میدهد که این سنگ در میدانهای تنش مختلف، از خود رفتارهای متفاوتی بروز میدهد. رفتار خزشی نمک در سه مرحله گذرا، پایا و تند شونده توصیف میشود.
دوره زمانی مرحله گذرا بسیار کوتاه بوده و بیشتر جنبه تحقیقاتی و آزمایشگاهی دارد؛ اما دو مرحلهی دیگر و عوامل موثر بر آنها مواردی هستند که در طراحی فضاهای زیرزمینی بسیار پراهمیت خواهند بود. مدلهای بنیادی ارائه شده برای شرح رفتار خزشی نمک نیز نشان میدهد که رفتار تغییر شکل پذیر این سنگ تابع عواملی چون ابعاد بلورها، دما، رطوبت، میدان تنش انحرافی، تناوب بارگذاری و باربرداری و برخی عوامل دیگر است. هر یک از این عوامل تأثیر متفاوتی بر خواص ژئومکانیکی نمک و رفتار تغییر شکل پذیر آن دارند.
رفتار تغییر شکل انواع سنگ نمک را از دو جنبه میتوان بررسی کرد. از یک سو بلورهای نمک تحت شرایط معین، قادر به نمایش رفتار شکنندگی - - Brittle، مشابه با بسیاری دیگر از مصالح طبیعی نظیر سنگها هستند. از سوی دیگر شبیه به بسیاری از فلزات، سرامیکها و برخی از کانیها، از خود رفتاری شکلپذیر - - Ductile تحت تغییر شکل غیر الاستیک - - Inelastic Deformation با حداقل شکستگی یا حتی بدون شکستگی در ساختار از خود نشان میدهد.
این نوع تغییر شکل در نرخهای کرنش کم و تحت تنشهای محصور کننده متوسط تا بالا فراوان گزارش شده است[1] و .[2] ویژگی اصلی بسیاری از مواد شکل پذیر از جمله نمک آن است که تحت تأثیر میدانهای تنش انحرافی در دماهای کمتر از 50 درصد دمای ذوب رفتار کرنش- سختی - -Strain - Hardening از خود بروز میدهند.[1]
محققین در حوزه علم مواد معتقدند که رفتار سنگ نمک بسیار مشابه با رفتار فلزات مختلف و سرامیکها است.[3] اما چون هالیدهای آلکالی، مواد یونی هستند، برخی اختلافهای اساسی در رفتار آنها وجود دارد. اما سنگ نمک، رفتاری از حالت شکنندگی تا شکل پذیری یا الاستیک- پلاستیک دارد
نمونههای سنگ نمک محصور در آغاز بارگذاری، تغییر شکل الاستیک خطی نشان میدهد اما با افزایش بارگذاری رفتار پلاستیک ایجاد شده و با ادامه روند، گسیختگی حاصل میشود. ماده نمک هم کرنش الاستیک و هم کرنش پلاستیک از خود نشان میدهد.
اختلاف بین رفتار الاستیک و رفتار پلاستیک این است که تغییر شکل الاستیک موقت و قابل بازیابی بوده اما تغییر شکل پلاستیک دائم و غیرقابل بازیابی است. درجه تغییر شکل دائم به نسبت کرنش پلاستیک به کرنش کل بستگی دارد. تغییر شکلهای الاستیک و پلاستیک با بارگذاری کوتاه مدت در مقادیر بار بالا مشاهده میگردد. اگر تنش اعمالی کمتر از تنش تسلیم باشد رفتار پلاستیک در سنگ نمک اتفاق نمیافتد. اما اگر نرخ تنش اعمالی بالا و بیش از تنش تسلیم باشد، سنگ نمک به طور پیوسته تغییر شکل میدهد. همچنین با افزایش دما تغییر شکل سنگ نمک منجر به گذار از رفتار شکنندگی به رفتار شکل پذیری میگردد
-2 مکانیزمهای تغییر شکل سنگ نمک
پیچیدگی رفتار مهندسی سنگ نمک تحت تأثیر عوامل متعددی مانند شیوه بارگذاری[8] ، نرخ بارگذاری [9]، اندازه بلور[10]، [11] و [12]، تماسهای بین بلور[13] و [14]، زمان [9]، دما [15]، [16] و [17]، رطوبت [18] و [19]، ادخالها[11]، [20]، [21]، [22] و [23] ، اثر سابقه تنش[24] و [25] افزایش مییابد.
بارگذاری تناوبی موجب کاهش مقاومت سنگها میگردد که این امر به واسطه شروع و انتشار ترک همراه با افزایش بارگذاری تناوبی است. در نواحی که ترکهای تازه شکل گرفته که به طور موازی با محور بارگذاری متناوب هستند با افزایش تعداد تناوب دچار آسیب خواهند شد. در نتیجه مقاومت سنگها با افزایش تعداد تناوب به تدریج کاهش مییابد. اهمیت فرکانس بارگذاری به اندازه دامنه بارگذاری بوده و تأثیرات زیادی را بر روی رفتار سنگ تحت شرایط بارگذاری متناوب دینامیکی دارد. مقاومت دینامیکی سنگها با افزایش فرکانس و دامنه بارگذاری کاهش مییابد در صورتی که مدولهای دینامیکی با فرکانس بارگذاری افزایش و با دامنه بارگذاری کاهش مییابد.
تاثیر بارگذاری یکنواخت و تناوبی بلند مدت بر ثابتهای الاستیک دینامیکی سنگ نمک
حجم قابل توجهی از کارهای تجربی بر روی نمک تحت دمای بین 20 C تا 200 C و در فشار محصور 200MPa انجام شد. جریان درون تبلوری در نمک مصنوعی - - Synthetic salt در تنشهای تفاضلی -20 MPa 10 با لغزندگی نابجایی کنترل میشود. به طور کلی در تنشهای پایینتر و دماهای بالاتر، جریان با فرآیندهای صعود نابجایی کنترل میشود. در تنشهای جریان زیر 15 MPa و نرخهای کرنش زیر 10- 10 s-1، خزش نابجایی را نشان میدهد.[27] مکانیزم کنترل نرخ به صورت لغزش عرضی نابجاییهای پیچی - Cross-slip of - screw dislocations است که نرخ را محدود میکند.[28] با مشاهده گسترش ریزدانه - - Subgrain در دمای C100 و 200 C، ممکن است صعود نابجایی - - Dislocation climb ، مکانیزم کنترل نرخ در این محدوده باشد.[29] مکانیزم حاکم در دمای پایین - 25C0 - لغزش نابجایی - - Dislocation glide و در دمای بالا - 200C0 - صعود نابجایی - - Dislocation climb است.
-3 آزمایشهای آزمایشگاهی
-1-3 تهیه نمونهها
نمونههای سنگ نمک مورد استفاده در این تحقیق از معدن نمک خوشکلات واقع در شهرستان گرمسار است. این معدن در فاصلهی 28 کیلومتری غرب شهر گرمسار واقع است. در آزمایشگاه از بلوکهای سنگ نمک نمونههای استوانهای شکل تهیه شد. با توجه به این که تهیهی نمونههای استوانهای نمک با روشهای مرسوم نسبت به سایر سنگها، بسیار سخت و با مشکلات خاص خود روبرو است، بر این اساس تعداد 5 نمونه با استفاده از روش خشک با تزریق هوای فشرده به جای شوراب اشباع تهیه گردید. نمونههای سنگ نمک بدست آمده با خلوص نسبی 97 درصد هالیت و مقدار ناخالصی کمتر از 3 درصد شامل انیدریت و کانیهای رسی هستند. همه نمونهها به قطر 54 میلیمتر و با نسبت طول به قطر 2/5 توسط دستگاه کرگیر در آزمایشگاه تهیه شدند.
-2-3 آزمایشهای خزش بلند مدت
با توجه به این که انواع فضاهای زیرزمینی در حین ساخت و بهرهبرداری تحت تنشهای یکنواخت و گاهی اوقات تنشهای تناوبی قرار میگیرند، انجام آزمایشهای خزشی کوتاه مدت - Short-term Uniaxial Creep - Tests که به اختصار با - SUC - و بلند مدت - Long-term Uniaxial Creep Tests - یا - LUC - و آزمونهای بارگذاری تناوبی - Uniaxial Cyclic Loading Tests - یا - UCL - برای تعیین خواص وابسته به زمان سنگها ضروری هستند. به طور کلی آزمونهای خزشی کوتاه مدت و بلند مدت و آزمونهای بارگذاری تناوبی برای تعیین خواص وابسته به زمان سنگها مورد استفاده قرار میگیرد.
سادهترین روش برای تعیین ثابتهای وابسته به زمان شامل ویسکوالاستیک و ویسکوپلاستیک از طریق بارگذاری فشاری یک محوره نمونههای استوانهای است که مدت زیادی به طول میانجامد. این روش تحت تنش و دما و رطوبت ثابت در تمام مدت انجام آزمایش است که ممکن است ساعتها، هفتهها یا حتی بیشتر به طول بیانجامد. بار بوسیله وزنهای مرده از طریق یک اهرم مستقیماً به نمونه و یا از طریق فشار روغن اعمال میشود. همچنین از سیستم فشار هیدرولیکی خود کنترلی و فنرهای فشرده استفاده میشود.
اما در این مقاله هدف تعیین و تغییرات ثابتهای الاستیک دینامیکی سنگ نمک قبل از و پس از آزمایشهای خزشی بلند مدت و آزمونهای بارگذاری تناوبی و مقایسهی نتایج است. براین اساس دو آزمون خزش بلند مدت تک محوری تحت تنشهای محوری 5 و 14 مگاپاسکال که توسط یک پمپ هیدروالکتریک که
