دانلود مقاله معرفی دستگاه دوام بزرگ مقیاس و کارایی آن برای ارزیابی دوام سنگهای سخت

بخشی از مقاله

مقدمه

دوام سنگ ارزیابی و سنجش مقاومت سنگ در برابر هوازدگی، حفظ شکل، اندازه و وضیعت ظاهری اولیه در مدت زمانی طولانی و در شرایط محیطی حاکم بر سنگ است .[2] شاخص دوام نه تنها ویژگی مهمی در ارزیابی کنترل کردن پایداری شیبها و کنترل کردن حفاریهای زیرزمینی بهشمار میآید بلکه در طراحی سازههای سنگی، ساختمانها و بناهای تاریخی نیز نقش مهمی دارد .[3] دوام از جمله ویژگیهای اساسی سنگها است وتقریباً در همه پروژههای ژئوتکنیکی که مربوط به سنگهاست، اهمیت فراوانی دارد. از آنجا که عوامل

هوازدگی سنگها در طبیعت بسیار زیاد و متغیر است، با هیچ آزمایشی نمیتوان روند زوال سنگها در شرایط طبیعی را به طور دقیق پیشبینی کرد. با وجود این، آزمایشهایی مانند شاخص دوام وارفتگی، ارزش ضربهای، سایش لسآنجلس، تر و خشک شدن متناوب، سلامت سنگ و انجماد و آب شدن برای تعیین این خصوصیت سنگها، پیشنهاد شده و استفاده میشود [4]، که هر یک از آنها تنها بخشی از فرآیند هوازدگی را شبیهسازی کرده و آزمایش میشوند. از معروفترین و مهمترین این آزمایشها، دوام سنگ در برابر چرخههای مختلف سایش و تر و خشک شدن است که به »دوام وارفتگی« معروف است.

مقدار شاخص دوام یک سنگ، به عوامل متعددی بستگی دارد و از آنها تأثیر میپذیرد. این عوامل را بسته به ماهیت آنها میتوان در دو گروه کلی جای داد. گروه اول عوامل مرتبط با ویژگیها و ماهیت سنگ مورد آزمایش است که از آن جمله میتوان به مواردی نظیر ساخت، بافت، ترکیب کانیشناسی، ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی و . . . اشاره کرد. گروه دوم عوامل مرتبط با شرایط و نحوه آزمایش است که مواردی نظیر دما و ترکیب شیمیایی محلول آزمایش دوام، شکل و میزان گردشدگی نمونههای آزمایش شده، کرویت، درجه زبری سطح نمونهها، تعداد چرخههای آزمایش و ویژگیهای دستگاه آزمایش در این گروه جا میگیرند.

در تحقیق حاضر ویژگیهای کانیشناسی، نوع دستگاه آزمایش شده و تعداد چرخههای آزمایش در ارزیابی دوام سنگها بررسی شده است. برای این منظور، بهجای دستگاه دوام
استاندارد کهصرفاً میتواند برای ارزیابی سنگهای آرژیلیتی و نرم در برابر سایش و تر و

معرفی دستگاه دوام بزرگ مقیاس و کارایی آن برای ارزیابی دوام سنگهای سخت 2197

خشک متوالی بهکار رود، دستگاه دوام بزرگ مقیاسی معرفی شده که برای ارزیابی دوام سنگهای سخت استفاده می شود. علاوه براین، نقش ویژگیهای کانیشناسی و تعداد چرخههای آزمایش بهعنوان عواملی تأثیرگذار روی شاخص دوام سنگها، نیز بررسی شده است.

مواد و روش پژوهش

برای انجام یافتن تحقیق حاضر، 17 قطعه سنگ ساختمانی به ابعاد تقریبی 40×40×30) سانتیمتر) از کارخانههای سنگبری اطراف تهران تهیه شد و از آنها نمونهها و مغزههای لازم

با قطر NX برای انجام آزمایشهای پیشبینی شده تهیه شد. در ادامه به بررسیهای سنگشناسی، ویژگیهای فیزیکی شامل چگالی، تخلخل، جذب آب و ویژگیهای مکانیکی شامل مقاومت فشاری تکمحوری و سرعت موج P آنها پرداخته شد. علاوه بر این، آزمایش دوام استاندارد و بزرگ مقیاس تا 15 چرخه در آب شرب تهران با pH= 7/3 و دمای 20 درجه سانتیگراد انجام شد. در ادامه با توجه به دادههای بهدست آمده از آزمایشها، با مقایسه نتایج دوام استاندارد و دوام بزرگ مقیاس به بررسی کارایی دستگاه دوام بزرگ مقیاس و تعیین کاربرد آن برای ارزیابی دوام سنگهای سخت میپردازیم.

بررسیهای سنگشناسی

بررسیهای سنگشناسی نه تنها اطلاعاتی در مورد ترکیب کانیشناسی و منشأ سنگ به دست میدهند، بلکه در ارزیابی دوام سنگها در برابر عوامل هوازدگی شیمیایی و فیزیکی نیز ابزاری مهم بهشمار میآیند .[5] دوام سنگ در برابر عوامل هوازدگی شیمیایی و فیزیکی، سایش و تر و خشک شدن بهمقدار زیادی به پارامترهای ذاتی سنگ از جمله ترکیب کانیشناسی بستگی دارد. سنگها بهدلیل داشتن کانیهای تشکیلدهنده متفاوت، دوام متفاوتی در برابر این عوامل از خود نشان میدهند. در این تحقیق با تهیه مقطع نازک از نمونهها، ترکیب کانیشناسی آنها در زیر میکروسکوپ پلاریزان بررسی شده که نتایج آن در جدول 1 ارائه شده است.

2198 نشریه زمینشناسی مهندسی، جلد هشتم، شماره 2 تابستان 1393
جدول .1 نام زمینشناسی، رده و ترکیب کانیشناسی نمونهها

نام زمینشناسی رده ترکیب کانیشناسی

توف (1) آذرآوری شیشه آتشفشانی- زمینه شیشه آتشفشانی با تبلور مجدد- چرت- میکروفسیل
توف (2) آذرآوری شیشه آتشفشانی- فلدسپار در حال تجزیه به کائولینیت- کوارتز- بیوتیت
گرانیت آذرین کوارتز- فلدسپارهای آلکالن (ارتوکلاز)- پلاژیوکلاز- بیوتیت در حال تجزیه به کلریت
کوارتز آذرین فلدسپارهای آلکالن- پلاژیوکلاز- کوارتز- آمفیبول سدیمدار- بیوتیت- منیتیت-آپاتیت
مونزونیت

تراکی آندزیت آذرین شیشه آتشفشانی- پلاژیوکلاز- هورنبلند
تراورتن (1) رسوبی زمینه میکرو اسپاریت- کلسیت اسپاری با تبلور مجدد
تراورتن (2) رسوبی کلسیت اسپاری- زمینه میکرواسپاریت ریزدانه با تبلور مجدد
تراورتن (3) رسوبی کلسیت ریزدانه- زمینه میکرایت و میکرو اسپاریت - کوارتز - اکسیدهای آهن
تراورتن (4) رسوبی کلسیت اسپاری- سیمان اسپاریتی با تبلور مجدد- زمینه میکرایت و اسپاریت-

اکسیدهای آهن

تراورتن (5) رسوبی آراگونیت- کلسیت اسپاری ریز بلور- اکسیدهای آهن
سنگ آهک (1) رسوبی خردههای آلوکم- کلسیت اسپاری و فسیل اسپاراتی شده- زمینه میکرایت و اسپارایت
سنگ آهک (2) رسوبی خردههای فسیل اربیتولین- کلسیت اسپاری - زمینه دولومیت
لوماشل (1) رسوبی خردههای صدف (بریوزوآ- استراکود)- فسیلهای پلاژیک- سیمان اسپاراتی و میکراتی
لوماشل (2) رسوبی خردههای صدف دو کفهایها- کوارتز- سیمان میکرایتی و اسپارایتی
ماسه سنگ رسوبی خردههای سنگی- کوارتز- فلدسپار- کانیهای فلزی- سیمان کلسیتی- ماتریکس رسی
ژیپس رسوبی ژیپس- انیدریت
مرمر دگرگونی کلسیت اسپاری- مواد آلی هیدروکربوری

ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی

برای تعیین ویژگیهای فیزیکی نمونهها (چگالی، تخلخل و جذب آب) و مکانیکی (مقاومت فشاری تکمحوری و سرعت موج (P از روش استاندارد [6] استفاده شد. لازم به یادآوری است که بر روی هر یک از نمونهها 5 آزمایش انجام شد و نتایج ارائه شده در این جدول میانگین مقادیر این آزمایشها هستند. نتایج میانگین مقادیر بهدست آمده از آزمایشهای تعیین ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی نمونهها در جدول 2 ارائه شده است.

معرفی دستگاه دوام بزرگ مقیاس و کارایی آن برای ارزیابی دوام سنگهای سخت 2199

بر اساس ردهبندی آنون برای چگالی و تخلخل [7]، بیشتر نمونهها در رده با چگالی زیاد (2/55-2/75) و متوسط (2/2-2/55) و تخلخل کم (%1-5) و متوسط (%5-15) قرار گرفتهاند.
با توجه به ردهبندی سنگها بر اساس مقاومت فشاری تکمحوری که آنون (1997) انجام داد

[8]، لوماشل (2) در رده سنگهای با مقاومت کم، سنگ آهک (1)، لوماشل (1) و ماسهسنگ و تمامی نمونههای تراورتن در رده مقاومت زیاد و سایر نمونهها در رده مقاومت بسیار بیشتر

قرار میگیرند. با توجه به ردهبندی سنگها بر اساس سرعت موج P بهوسیله آنون [7]،

لوماشل (2) در رده سنگهای با سرعت خیلی اندک (کمتر از (2500 m/s، ماسهسنگ در رده

سرعت کم (2500-3500m/s)، تراکی آندزیت و لوماشل (1) در رده سرعت متوسط m/s)

(3500-4000، سایر نمونهها در رده سرعت زیاد (4000-5000 m/s) و سرعت خیلی زیاد

(بیش از (5000 m/s قرار میگیرند.

جدول .2 نتایج آزمون تعیین ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی نمونهها

نام زمینشناسی چگالی خشک چگالی اشباع تخلخل جذب آب مقاومت فشاری تک سرعت موج
(g/cm3) (g/cm3) مؤثر (%) (%) محوری (MPa) (m/s)P

توف (1) 2/33 2/42 9/22 3/96 122 4277
توف (2) 2/45 2/49 4/23 1/73 141 5139
گرانیت 2/65 2/66 0/73 0/28 124 5140
کوارتز مونزونیت 2/60 2/62 1/30 0/50 107 4914
تراکی آندزیت 2/40 2/48 8/33 3/48 84 3817
تراورتن (1) 2/34 2/44 10/95 4/69 26 4848
تراورتن (2) 2/19 2/36 17/69 8/09 24 4452
تراورتن (3) 2/22 2/37 15/43 6/96 41 4558
تراورتن (4) 2/45 2/52 6/83 2/79 37 4898
تراورتن (5) 2/55 2/56 0/37 0/15 53 5407
سنگ آهک (1) 2/56 2/58 2/18 0/85 42 5933
سنگ آهک((2 2/67 2/68 1/00 0/38 89 6048
لوماشل (1) 2/16 2/34 18/78 8/71 15 3983
لوماشل (2) 1/76 2/09 33/27 18/88 4 2379
ماسه سنگ 2/21 2/38 17/20 7/80 17 3490
ژیپس 2/28 2/29 0/90 0/39 26 4213
مرمر 2/61 2/62 0/20 0/08 67 5529

0022 نشریه زمینشناسی مهندسی، جلد هشتم، شماره 2 تابستان 1393

آزمایش دوام استاندارد

شاخص دوام معیاری بسیار مناسب برای نشان دادن حساسیت سنگ در برابر سایش و تر و خشک شدن متوالی و تأثیرات شیمیایی آب است که روش تعیین آن را فرانکلین و چاندرا ارائه کردند [1] و در سال 1979 توسط انجمن بینالمللی مکانیک سنگ بهصورت استاندارد درآورد .[6]

برای انجام دادن این آزمایش تعداد 10 نمونه سنگ بهوزن 40 تا 60 گرم نیاز است. نمونهها بهمدت 10 دقیقه در داخل سبد دستگاه با سرعت 20 دور در دقیقه و در داخل آب

میچرخند. با مشخص بودن وزن خشک نمونهها قبل و بعد از هر چرخه آزمایش، شاخص دوام در چرخه Nام از رابطه (1) بهدست میآید:

Id(N)=((C-D)/(A-D))×100 (1)×

در این رابطه D وزن سبد، C وزن ثانویه خشک و سبد و A وزن اولیه نمونه و سبد است.

جدول 5 مشخصات و شکل 1 دستگاه دوام استاندارد استفاده شده در تحقیق حاضر و تعدادی از نمونههای تهیه شده را نشان میدهد. در آزمایش دوام، ترکیبی از سایش و تر و

خشک شدن بهمنظور تسریع کردن فرآیند هوازدگی روی نمونههای سنگ اعمال میشود .[9]

در این تحقیق، آزمایش دوام بر اساس روش استاندارد [6] I.S.R.M. تا 15 چرخه انجام شد و شاخص دوام در چرخههای 2، 5 و 15 محاسبه شد. در جدول 3 (این جدول به همراه نتایج بزرگ مقیاس ارائه شده است) شاخص دوام در چرخههای 2، 5 و 15 ارائه شده است. چنانکه مشاهده میشود با افزایش تعداد چرخهها، شاخص دوام نمونهها بهدلیل فرایند سایش و تر و خشک شدن کاهش پیدا کرده است.

الف ب

×

شکل.1 الف) دستگاه آزمایش دوام استاندارد [6]، ب) تعدادی از نمونههای تهیه شده برای آزمایش

معرفی دستگاه دوام بزرگ مقیاس و کارایی آن برای ارزیابی دوام سنگهای سخت 2201
جدول .3 شاخص دوام نمونهها در چرخههای 2، 5 و 15
شاخص دوام Id2(%) Id5(%) Id15(%)
نوع دستگاه دوام دوام بزرگ دوام دوام بزرگ دوام دوام بزرگ
نام زمینشناسی استاندارد مقیاس استاندارد مقیاس استاندارد مقیاس
توف (1) 99/70 99/54 99/43 99/13 98/92 98/20
توف (2) 99/86 99/73 99/79 99/55 99/60 99/28
گرانیت 99/52 99/34 99/19 98/83 98/58 97/82
کوارتز مونزونیت 99/76 99/73 99/60 99/27 99/22 98/64
تراکی آندزیت 99/41 99/16 98/96 98/48 98/08 96/85
تراورتن (1) 98/59 97/73 97/42 95/55 94/60 89/65
تراورتن (2) 98/20 97/73 96/87 95/69 93/91 90/30
تراورتن (3) 98/30 97/31 96/95 94/97 93/80 89/31
تراورتن (4) 99/24 98/86 98/59 97/55 96/57 94/24
تراورتن (5) 99/53 99/50 99/08 98/93 97/87 97/33
سنگ آهک (1) 99/50 99/45 99/03 98/83 97/72 97/07
سنگ آهک (2) 99/52 98/99 99/11 98/15 98/25 96/21
لوماشل (1) 97/43 94/94 95/56 91/16 91/70 82/41
لوماشل (2) 88/75 88/84 79/99 80/38 61/98 62/05
ماسه سنگ 89/21 93/84 74/30 87/20 46/59 42/82
ژیپس 95/64 94/92 91/60 90/27 83/03 78/82
مرمر 99/34 98/91 98/82 97/63 96/92 93/80

رابطه شاخص دوام با ویژگیهای کانیشناسی و سنگشناسی

ویژگیهای کانیشناسی و سنگشناسی نقش مهمی در ارزیابی دوام سنگها در برابر عوامل هوازدگی شیمیایی و فیزیکی دارند .[5] در این بخش از تحقیق، به بررسی رابطه شاخص دوام با ویژگیهای کانیشناسی و سنگشناسی نمونهها میپردازیم. با توجه به جدول 1 و 3 مشاهده میشود که سنگهایی با ترکیب سیلکاتی (غنی از کوارتز، فلدسپار، میکا) مانند گرانیت 1 و تراکی آندزیت نسبت به نمونههای با ترکیب غیرسیلیکاتی(غنی از کلسیت، دولومیت، میکریت) مانند سنگ آهکها دارای شاخص دوام (Id15)تقریباً مشابهای هستند. این موضوع نشان میدهد هر چند ترکیب کانیشناسی این سنگها با یکدیگر متفاوت است، ولی سایر عوامل

2022 نشریه زمینشناسی مهندسی، جلد هشتم، شماره 2 تابستان 1393

سنگشاسی مانند بافت (اندازه، شکل و نحوه قرارگیری کانیها در یک سنگ) و یا ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی در میزان دوام نمونهها تأثیرگذار است که باعث شده دوام نمونهها تقریباً مشابه باشد. همچنین دادههای جدول 3 نشان میدهد نمونههای لوماشل، ماسهسنگ و تراورتنها دارای دوام کمتری نسبت به سایر نمونهها هستند. در واقع این موضوع بهدلیل ضعیفتر بودن بافت این نمونهها (وجود خلل و فرج زیاد و سست بودن اتصال کانیهای تشکیل دهنده آنها) و همچنین ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی ضعیفتر آنها نسبت به سایر نمونهها است. گوکچه اوغلو1 و همکاران (2000) نیز نشان دادند ترکیب کانیشناسی تأثیر

بهسزایی در شاخص دوام سنگهایی مانند ایگنمبریت، ماسهسنگ، گلسنگ و مارن دارد .[10] همچنین گویتا و احمد (207) با بررسی شاخص دوام نمونههایی از سنگهای کربناتی نشان دادند که سنگ آهکهای دانهریز شاخص دوام کمتری نسبت به سنگآهکهای دانه درشت دارند .[11]