بخشی از مقاله
چکیده :
اکثر سنگها و بتنها از نوع مصالح ترد شکن بوده که طی بار فشاری یا کششی گسیخته میشوند. در مصالح تردشکن به دلیل اختلاف زیاد بین مقاومت فشاری و کششی، در کشش بسیار ضعیفتر عمل کرده و علت برخی گسیختگیها و ریزش در معادن، تونلها و سایر سازههای مهندسی، ایجاد تنشهای کششی در آنها است.
در این مقاله با انجام آزمایشهای مقاومت کششی غیرمستقیم و فشاری تکمحوری در پنج نوع مصالح ترد شکن شامل سنگ و بتن با استفاده از دستگاه Servo-Control و ترسیم نمودارهای نیرو-تغییرشکل و تنش-کرنش و تحلیل نتایج، عوامل مؤثر بر نتایج و مدهای خرابی بحث و بررسیشده است. در ادامه مدلسازی عددی با استفاده از نرمافزار المان محدود ABAQUS در هر دو آزمایش انجام شد.
طبق نتایج آزمایشگاهی، آزمایش فشاری نسبت به آزمایش کشش حدود 8 تا 10 برابر مقاومت بیشتری نشان داد. در پایان نتایج و مدهای خرابی در مطالعات آزمایشگاهی و عددی در هر پنج نوع مصالح مقایسه و اعتبار سنجی شده است و یک تحلیل جامع از نتایج بهدستآمده است. یک رابطه نیز به روش رگرسیون خطی بین مقاومت فشاری تک محوری و کشش برزیلی بدست آمد که امکان تخمین کشش بزیلی را با انجام آزماش فشاری تک محوری در بتن می دهد.
1. مقدمه
مقاومت کششی عبارتست از تنش کششی که یک ماده قادر است تحمل نماید تا به مرحله گسیختگی برسد. اطلاع از رفتار سنگ ها در کشش، در تحلیل پایداری سقف و کف فضاهای زیرزمینی، بررسی پایداری سنگ ها در زون های کششی و همچنین حفاری و آتشکاری اهمیت بسیاری دارد و آگاهی از مقاومت کششی سنگ ها از شرط های مهم در طراحی تونل ها، معادن، شیروانی ها و کنترل موثر لایه های زمین است و ما را در درک مکانیزم خرابی در چنین حالاتی یاری می کند. روش های مختلفی برای تعیین مقاومت کششی سنگها وجود دارد که می توان آن را به دو نوع کشش مستقیم و کشش غیرمستقیم تقسیم نمود. به دلیل دشواری و هزینه زیاد روش مستقیم، تعیین مقاومت کششی معمولأ به روشهای غیرمستقیم ترجیح داده میشوند .[1] مقاومت کششی این نوع مصالحعمدتاً بهصورت غیرمستقیم و توسط آزمایش برزیلی به دست میآید.
آزمایش برزیلی اولین بار توسط - 1943 - Barselos در برزیل ابداع شد. قبل از آن نیز دانشمندانی چون - 1883 - Hertz، Hondros - 1959 - ، Fairhurst و Colback و ... تحقیقات باارزشی را در این زمینه تئوری و نحوه انجام آزمایش برزیلی انجام دادند. بهطور خلاصه عواملی چون زاویه محور ناپیوستگی با محور بارگذاری، ریز شکست و تمرکز تنش، ابعاد نمونه، سرعت آزمایش و شرایط تماس در محل بارگذاری بر مقاومت کششی تاثیرگذار است.
مقاومت بتن مهمترین مشخصه آن نزد طراحان و مهندسان کنترل کیفیت بتن میباشد. عوامل موثر بر مقاومت بتن که به عمل گرفته میشود عبارتست از: نسبت آب به سیمان، درجه تراکم، سن بتن و درجه حرارت. عوامل مؤثر دیگر همچون نسبت سنگدانه به سیمان، کیفیت سیمان - دانهبندی، بافت سطحی، شکل، مقاومت و سختی - و حداکثر اندازه سنگدانه نیز موثر است .همچنین نوع ماشین آزمایش نیز درنتایج بدست آمده موثر است، که باید نحوه ساخت نمونه یا روش کر گیری از سنگ و نحوه آزمایش آنها استاندارد گردد . برای تعیین مقاومت فشاری و نیز پارامترهای الاستیک سنگ از آزمون استاندارد فشاری تک محوره استفاده می شود. آزمایش مقاومت فشاری تک محوری یا نامحصور مرسوم ترین آزمون آزمایشگاهی برای مطالعات مکانیکی سنگ بکر و بتن می باشد که با وجود ظاهری ساده، انجام دقیق آن بسیار مشکل است.
مقاومت فشاری تئوریکی هشت برابر بزرگتر از مقاومت کششی میباشد و هر چه مقاومت فشاری بالاتر رود، این نسبت بیشتر خواهد شد، که معمولا مقاومت کششی بتن حدود 10 تا 15 درصد مقاومت فشاری آن میباشد. عواملی وجود دارند که این نسبت را تحت تاثیر قرار میدهند که اصلیترین آن روش آزمایش در کشش، اندازه نمونه، بافت سطحی درشتدانهها و وضعیت رطوبتی بتن میباشند. مقاومت فشاری کمتر تحت تأثیر شکل و بافت سطحی سنگدانهها قرار میگیرد. در شرایط مرطوب مقاومت فشاری کمتر از حالت خشک است.
مطالعه مراجع مرتبط با آزمایش برزیلی و فشاری تک محوری روی مصالح تردشکن و عوامل مؤثر بر آنها انجام شد. مصالح تردشکن تحت شرایط مختلف بارگذاری در اثر کشش یا فشار دچار گسیختگی می شوند. به منظور ارزیابی صحیح و مطمئن رفتار مصالح تحت شرایط مختلف بارگذاری، در این تحقیق نتایج آزمایش برزیلی و فشاری تک محوری مورد تحلیل قرار گرفت تا مدهای خرابی مصالح تردشکن مورد بررسی قرار گیرد، که طبعا گام مهمی در مطالعات رفتاری پارامترهای مقاومتی این مصالح خواهد بود. به این منظور نمونههای برزیلی - - BT و فشاری تک محوری - UCT - بهصورت آزمایشگاهی و عددی موردمطالعه قرار گرفت.
درمجموع 38 آزمایش برزیلی و 29 آزمایش مقاومت فشاری تکمحوره انجام شد و نتایج بهدستآمده از آزمایشها بهمنظور مقایسه نتایج دو آزمایش و رفتار مصالح مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت. همچنین پارامترهای الاستیک سنگ از آزمایش مقاومت فشاری تکمحوره از پنج نوع مصالح استخراج شد. نرمافزار المان محدود Abaqus با توجه به مدل رفتاری مناسب، برای تعیین مقاومت مصالح تردشکن و روند شکست آن استفاده شدنهایتاً. با استفاده از نرمافزار SPSS و تحلیل نتایج آزمایشگاهی و عددی، رابطهای برای مقاومت کششی و فشاری مصالح تردشکن به دست آمد.
2. آمادهسازی نمونهها، انجام آزمایشها و تحلیل نتایج آزمایشگاهی
مراحل ساخت نمونهها که شامل دو نوع سنگ و سه نوع بتن میباشد، با رعایت اصول صحیح ساخت نمونهها در آییننامه ASTM انجام شد.[1 ] برای ساخت بتن، قالبهای با ابعاد موردنیاز با لوله پولیکا و ورق PVC ساخته شد. نمونههای دیسکی برزیلی و استوانهای فشاری تک محوری با قطر 75 میلیمتر و به ترتیب با نسبت طول به قطر 0/5 و 2 ساخته شد. باید توجه شود که راستای برش در نتایج تأثیرگذار است، بر همین اساس راستای برش در نمونههای برزیلی سنگ و بتن قبل از برش زدن تعیین گردید
از دستگاه برش و ساب برای تهیه تمام نمونهها استفاده شد. اطلاعات کامل از نحوه ساخت و هندسه نمونهها ثبت گردید. هر دو نوع سنگ آهکی است که نوع A دارای رنگ آبی و دارای تراکم بیشتر، میزان رگه بیشتر، اثرات بیشتر تکتونیکی است و سنگ نوع B به رنگ سفید دارای درصد آهک بیشتری است. نمونههای بتنی مطابق با طرح اختلاط ملی بتن ساخته شد. نمونههای نوع اول - C - ، دوم - D - و سوم - E - بانامهای 019، 012,5 و 06 - بر اساس حداکثر اندازه جدول -1 درصد آب موجود و SSD
جدول -2 طرح اختلاط اجراشده
آزمایشها در آزمایشگاه مکانیک سنگ دانشکده عمران و محیطزیست دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام گرفت و در این پژوهش برای انجام آزمایشها از دستگاه Dartec9600 استفاده شد. این دستگاه بهصورت خودکنترل بوده و امکان کنترل عملیات بارگذاری در حین انجام آزمایش توسط کامپیوتر میسر است، که میتوان نسبت به ثبت دادهها بهصورت خودکار اقدام نمود. از پارامتر تغییر شکل محوری بهعنوان متغیر برنامه استفاده شده است. آزمایش برزیلی و فشاری تک محوری به ترتیب با سرعت ثابت 0/001 و 0/011میلیمتر بر ثانیه انجام شد. سرعت های انتخابی بر اساس نتایج تحقیقات پیشین انتخاب گردید. نمونههای ساختهشده، نحوه انجام آزمایشها و روند شکست نمونهها در اشکال زیر نشان داده شده است.
شکل - 1 نمونههای ساختهشده سنگ و بتن بهصورت دیسکی و استوانهای
شکل - 2 نحوه انجام آزمایشها و روند شکست نمونهها
با مشاهده رفتار مصالح در اثر بارگذاری در آزمایشگاه، در برخی نمونه های برزیلی سنگ بدلیل اثرات عدم ایزوتروپ بودن نمونه ها - شکست از روی رگه یا زاویه کم ناپیوستگی ها با محور بارگذاری - و شرایط انجام آزمایش - تغییر در مد شکست - کاهش شدید مقاومت مشاهده شده است. اگر زاویه رگه نسبت به افق زیاد باشد باعث می شود که مقاومت چسبندگی رگه بدست آید و نتیجه آن نمونه مردود می گردد تا نتایج کلی را تحت تاثیر قرار ندهد.
به همین دلیل با ثبت تصاویر از تمام مراحل ساخت، آزمایش و بعد شکست، عوامل موثر بر نتایج کنترل گردید. در نمونه های فشاری تک محوری سنگ به دلیل درجه تردشکنی بالا، شکست نمونه ها به صورت ناگهانی و انفجاری صورت گرفت. در نمونه های بتنی که درجه تردشکنی کمتر است و به دلیل چسبندگی بالا در ناحیه بین خمیر و سنگدانه شکست به صورت انفجاری اتفاق نیفتاد و به صورت رگه ای با اعمال فشار عمل نمایید.
