بخشی از مقاله
خلاصه
آزمایش مقاومت بار نقطهای1، آزمایشی شاخص برای طبقهبندی مصالح سنگی است که به دلیل سادگی آزمایش، سادگی آمادهسازی نمونه و امکان انجام آن در محل به عنوان روشی ارزان و کارامد برای تخمین مقاومت فشاری و کششی سنگها محسوب میشود. این آزمایش قابل انجام برروی نمونهها با شکلهای مختلف ازجمله استوانهای، بلوکی،کروی، دیسکی و کلوخهای میباشد ولی اشکال بزرگ این روش حساسیت نتایج نسبت به شکل و اندازه نمونهها است.
در تحقیق حاضر آزمایشی معرفی میگردد که با کوبیدن میخ در سنگ با انرژی مشخص و اندازهگیری مقدار نفوذ آن، مقاومت بار نقطهای تخمین زده میشود. در انتها با تحلیل نتایج آزمایشها رابطهای بین مقدار نفوذ میخ2 و مقاومت بار نقطهای ارائه میشود.
1. مقدمه
آزمایش مقاومت بار نقطهای، آزمایشی شاخص برای طبقهبندی مصالح سنگی است که به دلیل سادگی آزمایش، سادگی آمادهسازی نمونه و امکان انجام آن در محل به عنوان روشی ارزان و کارامد برای تخمین مقاومت فشاری و کششی سنگها محسوب میشود.
بروچ و فرانکلین - 1972 - 3 آزمایش بار نقطهای را با جزئیات در انجمن بین المللی مکانیک سنگ شرح دادند و در سال 1985 این آزمایش به عنوان روشی پذیرفته شده توسط 4ISRM مورد تایید قرار گرفت. این آزمایش قابل انجام برروی نمونهها با شکلهای مختلف ازجمله استوانهای، بلوکی،کروی، دیسکی و کلوخهای میباشد ولی در مرسومترین شیوه روی مغزههای سنگی و به صورت قطری انجام میشود. اشکال بزرگ این آزمایش حساسیت نتایج نسبت به شکل و اندازه نمونهها است
در تحقیق حاضر آزمایشی معرفی میگردد که با کوبیدن میخ در سنگ با انرژی مشخص و اندازهگیری مقدار نفوذ آن، مقاومت بار نقطهای تخمین زده میشود. همچنین با تغییر مقدار انرژی، نوع رابطه بین مقدار نفوذ میخ و مقاومت بار نقطهای بررسی میگردد. به همین منظور تعداد فراوانی آزمایش برروی نمونههای مختلف سنگ انجام شد. به دلیل جدید بودن آزمایش نفوذ میخ، نسبت به طراحی و ساخت دستگاه برای انجام این آزمایش اقدام گردید.
2. شرح نمونههای مورد آزمایش
در این تحقیق از 7 نوع سنگ استفاده شده است که عبارتاند از سنگ گرانیت چایان، سنگ گرانیت ارومیه، سنگ آهک تراورتن شکلاتی، سنگ آهک تراورتن کرم، سنگ آهک تراورتن قرمز، سنگ آهک تراورتن زرد و سنگ لایبیت. سنگها به صورت بلوکهای به ابعاد 20×20×10 سانتیمتر از کارخانه سنگبری تهیه و به آزمایشگاه منتقل شد و در آزمایشگاه اقدام به مغزهگیری از برخی بلوکهای تهیه شده گردید.
به منظور انجام آزمایش مقاومت بار نقطهای از هر نوع سنگ حداقل 12 عدد مغزه با قطر 38 میلیمتر و نسبت طول به قطر حداقل 1 تهیه شدو برای انجام آزمایش نفوذ میخ از بلوکهای به ابعاد 20×20×10 سانتی متر استفاده گردید.
3. معرفی دستگاههای آزمایش
شکل 1 دستگاه آزمایش بار نقطهای محصول شرکت Controls ایتالیا با شماره 45-D0550/E را که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است، نشان میدهد. ظرفیت این دستگاه 50 کیلو نیوتن بوده و به کمک یک پمپ دستی نیروی لازم برای بارگذاری نمونه تأمین میشود. فکهای دستگاه، مخروطی با زاویه 60 درجه و شعاع انحنای 5 میلی متر در نوک می باشد که فک بالا ثابت و فک پایین متحرک است و امکان انجام آزمایش روی نمونههایی با حداکثر اندازه 102 میلیمتر را فراهم میکند. نیروی وارد بر نمونه بوسیله یک مبدل فشار اندازهگیری میشود و نشانگر دیجیتالی متصل به آن مقدار نیروی اعمالی به نمونه را در هر لحظه نشان میدهد. این نشانگر توانایی ثبت حداکثر بار را دارا بوده و در مقابل ضربات ناشی از آزمایش و تکرار آزمایش از دقت بالایی برخوردار است.
شکل -1 دستگاه آزمایش مقاومت بار نقطه ای
برای انجام آزمایش نفوذ میخ از دستگاهی که در آزمایشگاه مکانیک سنگ دانشگاه تهران طراحی شده بود، استفاده گردید. دستگاه استفاده شده در این تحقیق متشکل از یک سیلندر به ارتفاع 150 سانتیمتر و قطر داخلی 6 سانتیمتر، یک صفحه فولادی دایرهای به قطر 20 سانتیمتر جوش شده به انتهای سیلندر با سوراخی به قطر 6 سانتی متر در مرکز آن ، یک پیستون - میخ گیر - به قطر خارجی 6 سانتی متر و یک وزنه 4/5 کیلوگرمی استوانهای شکل به قطر خارجی 6 سانتی متر بود. از سیلندر به عنوان مسیر حرکت وزنه و همچنین عمود نگه داشتن راستای میخ بر سطح سنگ در طول آزمایش استفاده میشود که برای حفظ تعادل آن، صفحه فولادی دایرهای به انتهای آن جوش شده است.
میخ گیر نیز یک استوانه فولادی است که در مرکز آن سوراخی تعبیه شده که قطر قسمت زیرین آن برابر قطر خارجی میخها و قطر بالای آن که پین در آن قرار میگیرد برابر 10 میلیمتر میباشد. قسمت زیرین سوراخ به نحوی طراحی شده است که قابل تعویض بوده و امکان استفاده از میخهای با قطر متفاوت را فراهم میکند. برای اندازهگیری عمق نفوذ از یک نفوذ سنج که شامل یک سوزن، صفحه فلزی به قطر 5 سانتی متر و ضخامت 1 سانتیمتر با سوراخی در مرکز آن با قطری برابر با قطر سوزن و یک پیچ که به کمک آن میتوان سوزن را در موقیت مورد نظر ثابت نگه داشت، استفاده شد. در شکل 2 جزئیات دستگاه آزمایش نفوذ میخ نشان داده شده است.
4. روش انجام آزمایش های مقاومت بار نقطهای و نفوذ میخ
آزمایش مقاومت مقاومت بار نقطهای بر اساس استاندارد [2] ASTM D5731 و به صورت قطری انجام شده است. به منظور انجام این آزمایش از هر نوع سنگ حداقل 12 عدد مغزه با قطر 38 میلی متر و نسبت طول به قطر حداقل 1 تهیه شد. قبل از انجام آزمایش، طول و قطر نمونهها اندازهگیری و ثبت میشود و محل تماس فکهای دستگاه با سطح جانبی نمونه به نحوی علامتگذاری میشود که دقیقا در دو سر قطر نمونه قرار گیرند و همچنین تا دو انتهای نمونه حداقل به اندازهی نیمی از قطر نمونه فاصله داشته باشند. برای قرار دادن نمونه بین فکها، شیر روغن را باز کرده و فک پایین را به آرامی به سمت پایین فشار میدهیم تا جایی که نمونه براحتی در میان فکها قرار بگیرد. پس از حصول اطمینان از تماس فکها با محلهای علامتگذاری شده، به وسیله پمپ دستی نیرو بطور یکنواخت به نمونه وارد میشود تا نمونه در مدت 10 تا 60 ثانیه گسیخته گردد. آزمایشی صحیح تلقی میشود که نمونه فقط به دو تکه تقسیم شده و همچنین صفحه شکست از دو نقطه بارگذاری عبور کرده باشد.
آزمایش نفوذ میخ به تعداد حداقل 10 عدد روی بلوک هایی به ابعاد 20×20×10 سانتی متر انجام شده است. میخ استفاده شده در این آزمایش، میخ فولادی سخت با قطر 3/5 میلی متر و با طول 32 میلی متر بود. پیش از شروع آزمایش باید محل نفوذ میخ را روی سطح سنگ مشخص کنیم، محل نفوذ را روی سطح بلوک سنگی بگونهای علامت گذاری میکنیم کهاولاّ ناحیه تسلیم در اثر نفوذ میخ در آزمایشهای متوالی با هم تداخل نداشته باشند وثانیاّ از لبه های سنگ به اندازه کافی فاصله داشته باشد تا در اثر نفوذ میخ لبههای سنگ دچار شکست نگردد. پس از قرار دادن میخ در میخ گیر، میخگیر را از انتهای سیلندر وارد سیلندر کرده و سیلندر را روی سطح سنگ قرار میدهیم به طوری که میخ در محل علامت گذاری شده قرار بگیرد. از دو عدد گیره U شکل فولادی برای اتصال بلوک سنگی به دایره جوش شده در انتهای سیلندر استفاده میکنیم تا از حرکت دستگاه آزمایش و بلوک سنگی نسبت به هم در اثر ضربه جلوگیری شود.
