مقاله استفاده از ویژگی های فیزیکی و مکانیکی برای ارزیابی دوام سنگ های ساختمانی در برابر یخبندان

چکیده:

هدف از این تحقیق ارزیابی و پیشبینی دوام نمونههایی از سنگهای ساختمانی در برابر چرخههای یخبندان با استفاده از ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی است. بدین منظور 14 نمونه سنگ ساختمانی مختلف تهیه شد و خصوصیات سنگشناسی، ویژگیهای فیزیکی (دانسیته خشک و اشباع، تخلخل موثر، جذب آب) و مکانیکی آنها مطابق با روش- (P (مقاومت فشاری تک محوری، مقاومت کششی برزیلین، شاخص بار نقطهای و سرعت موج های استاندارد تعیین شد. در ادامه آزمایش یخبندان تا 30 چرخه انجام شد و ویژگیهای مکانیکی شامل مقاومت آنها بعد از اعمال چرخهها اندازهگیری شد. با توجه به داده- P کششی برزیلین، شاخص بار نقطهای و سرعت موج های به دست آمده به بررسی رابطه بین تغییرات ویژگیهای مکانیکی بعد از چرخههای یخبندان با ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی در حالت بکر (چرخه صفر یخبندان) پرداخته شده است. نتایج نشان میدهد نمونههایی که جذب آب بالاتر از 1 درصد داشتهاند دوام کمتری در برابر چرخههای یخبندان داشتهاند. علاوه بر این، نتایج آنالیزهای رگرسیون دو متغیره بین ویژگیهای مکانیکی درشرایط بکر با همان ویژگیها بعد از چرخههای یخبندان نشان میدهد با استفاده از ویژگیهای مکانیکی در حالت بکر میتوان یک ارزیابی و تخمین اولیه از دوام سنگها داشت.

واژه های کلیدی: دوام، یخبندان، ویژگی های فیزیکی، ویژگی های مکانیکی

مقدمه :

مصالح سنگی از جمله مصالح طبیعی و پر مصرف در ساخت انواع سازه های مهندسی، به ویژه ساختمانها هستند. سنگهایی که در بیرون از ساختمانها مورد استفاده قرار میگیرند ضروری است در برابر شرایط اقلیمی متغیر و شدید از جمله تغییرات دمای محیط مقاوم باشند. یکی از مهمترین عوامل محیطی که باعث تغییرات در ویژگیهای مهندسی، مقاومت و طول دوام سنگها میشود چرخههای یخبندان است (نیکودل و جمشیدی، 1388 ). میزان این تغییرات به ویژگیهای فیزیکی مانند تخلخل موثر و جذب آب و همچنین ویژگیهای مکانیکی در شرایط بکر بستگی دارد.

(. Chen et al., 2004, Tugrul, 2004, Hall and Shakoor, 2003, Sousa et al,2005)

دوام سنگ عبارت است از ارزیابی و سنجش مقاومت سنگ در برابر هوازدگی، حفظ شکل، اندازه و وضیعت ظاهری اولیه آن در یک مدت زمان طولانی در شرایط محیطی حاکم بر سنگ است (1993, Bell)، طبق این تعریف، با توجه به میزان تغییرات ویژگیهای مکانیکی سنگها در برابر عوامل هوازدگی میتوان به عنوان یک معیار برای ارزیابی و تخمین دوام سنگها استفاده کرد. هدف اصلی از این تحقیق، ارزیابی و تخمین دوام نمونههایی از سنگ- های ساختمانی در برابر یخبندان با استفاده از جذب آب و ویژگیهای مکانیکی است.

مواد و روشها:

برای تحقیق حاضر 14 سنگ ساختمانی با منشا آذرین، رسوبی، دگرگونی و آذر آواری از کارخانههای سنگ- بری اطراف تهران تهیه شد و خصوصیات سنگشناسی، ویژگیهای فیزیکی شامل دانسیته خشک و اشباع، تخلخل موثر، جذب آب و ویژگیهای مکانیکی شامل مقاومت فشاری تکمحوری، مقاومت کششی برزیلین، شاخص بار آنها مطابق با روشهای استاندارد تعیین شد. در ادامه آزمایش یخبندان تا 30 چرخه روی P نقطهای و سرعت موج آنها بعد از چرخههای یخبندان P نمونهها انجام شد و مقاومت کششی برزیلین، شاخص بار نقطهای و سرعت موج اندازهگیری شد.

خصوصیات سنگشناسی:

دوام سنگ در برابر عوامل هوازدگی شیمیایی و فیزیکی به مقدار زیادی به پارامترهای ذاتی سنگ از جمله ترکیب کانیشناسی بستگی دارد. سنگها به دلیل دارا بودن کانیهای تشکیل دهنده 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 مورد مطالعه قرار گرفته که نتایج آن در جدول 1 ارائه شده است.

جدول 1– نام زمینشناسی، رده و ترکیب کانیشناسی نمونهها

ویژگیهای فیزیکی و مکانیکی:

برای تعیین ویژگیهای فیزیکی نمونهها شامل دانسیته خشک و اشباع ، تخلخل و جذب آب و مکانیکی مقاومت فشاری تکمحوری، مقاومت کششی برزیلین، شاخص بار نقطهای و سرعت موج P از روش استاندارد (ISRM,1981) استفاده شده است شکل 1 تا 3. لازم به یادآوری است که بر روی هر کدام از نمونهها 5 آزمایش انجام شد و نتایج ارائه شده در این شکلها میانگین مقادیر این آزمایشها هستند. بر اساس ردهبندی (Anon,1979) برای دانسیته و تخلخل، بیشتر نمونهها در رده با چگالی بالا (75/2-55/2) و متوسط (55/2-2/2) و تخلخل خیلی پایین  (کمتر از 1%) و پایین (5-1%) قرار گرفته اند. با توجه به ردهبندی سنگها بر اساس مقاومت فشاری تکمحوری و شاخص بار نقطهای توسط (Broch & Franklin, 1972)، تمامی نمونه ها بجز تراورتن محلات، در رده سنگ های با مقاومت خیلی بالا و بسیار قرار می گیرند.

شکل 2-نمودار ستونی دانسیته خشک و دانسیته اشباع نمونه ها

شکل 3-نمودار ستونی تخلخل موثر، تخلخل کل و جذب آب نمونه ها

شکل 4-نمودار ستونی ویژگی های مکانیکی نمونه ها

آزمایش یخبندان:

در این تحقیق آزمایش یخبندان تا 30 چرخه انجام شد و بعد از 30 چرخه مقاومت کششی برزیلین، مقاومت نمونهها تعیین شد. هر چرخه آزمایش از 12 ساعت قرار دادن نمونههای اشباع در فریزر P بار نقطهای و سرعت موج 20 تشکیل شده است. شکل 5 یک ± 20 - درجه سانتیگراد و به مدت 12 ساعت در وان آب با دمای 2 ± با دمای 1 چرخه یخبندان را نشان میدهد

-یک چرخ انجماد و ذوب آب

قبل از شروع آزمایش یخبندان، نمونهها به مدت 72 ساعت در وان آب برای اشباع شدن قرار داده شدند و در بازههای زمانی 12 ساعت با تکان دادن وان آب به خروج حبابهای هوا از نمونهها کمک شد. برای انجام آزمایش 0 برای آزمایشهای مقاومت کششی / انجماد و ذوب آب از هر نوع سنگ 5 نمونه با نسبت طول به قطر تقریباً 5 تهیه شد و P برزیلین و مقاومت بار نقطهای و 5 نمونه با نسبت طول به قطر تقریباً 2 برای آزمایش سرعت موج آزمایشها مطابق استاندارد (1981) ISRM انجام شد. در شکل 6 درصد کاهش مقاومت کششی برزیلین، مقاومت بار نقطه ای و سرعت موج P نمونه ها در چرخه 30 نسبت به چرخه صفر (حالت بکر) ارائه شده است. درصد کاهش هر یک از این ویژگی ها از رابطه زیر به دست آمده است:

درصد کاهش ویژگی مکانیکی =(مقدار ویژگی مکانیکی در حالت بکر/ (مقدار ویژگی مکانیکی بعد از یخبندان -مقدار ویژگی مکانیکی در حالت بکر)) ×

صفر

رابطه دوام نمونهها در برابر یخبندان با ویژگیهای فیزیکی:

جذب آب و تخلخل موثر از مهمترین ویژگیهای فیزیکی هستند که در ارتباط با فرآیند یخبندان هستند. میزان جذب آب رابطه مستقیمی با تخلخل موثر مصالح ساختمانی دارد و از آنجایی که فرآیند یخبندان در ارتباط با حضور آب میباشد با توجه به این موضوع از جذب آب می توان در ارزیابی و تخمین دوام مصالح ساختمانی از جمله سنگ ساختمانی در برابر یخبندان استفاده کرد. شکلهای 7 تا 9 نشان میدهند نمونههایی که دارای جذب آب بیشتر از 1 درصد بودهاند دارای بیشترین کاهش در میزان ویژگیهای مکانیکی یا به عبارت دیگر دوام بودهاند. از این رو می- توان از جذب آب برای ارزیابی و تخمین دوام سنگها در برابر یخبندان استفاده کرد. به طوری که با افزایش میزان جذب آب دوام سنگها در برابر یخبندان کمتر خواهد بود.

(جداول و نمودار در فایل اصلی موجود است)