ایستاسازه
En Ar

خانه - مطالب آموزشی - دستورالعمل تعیین مقاومت کششی سنگ به روش غیر مستقیم (آزمایش برزیلی) (Tensile strength of stone)

انجام آزمایش تعیین مقاومت کششی ماده سنگ به دو روش مستقیم و غیر مستقیم (آزمایش بریزیلی) پیشنهاد شده است:


  • در روش مستقیم نیروی کششی در امتداد محور طولی نمونه (عمود بر سطح مقطع نمونه) اعمال می شود. وجود محدودیت ها و مشکلات مختلف در آزمایش کشش مستقیم، سبب شده است تا آزمایش برزیلی در بسیاری از موارد ترجیح داده شود.

مطابق با آنچه که توسط انجمن بین المللی مکانیک سنگ منتشر شده است، در مورد مشکلات اجرایی این روش می توان گفت:


1- با توجه به این که زنجیر توپی یا حلقه ای (Roller or Link Chain) تنها قابلیت خم شدن در یک صفحه را دارد، در حین آزمایش، قطعات زنجیر های بالایی و پایینی در یک راستا قرار گرفته و سبب کاهش خمش در نمونه می شود.

2- تمایل هرزگردها و کابل ها به خمش و پیچش از انتقال کشش محض در آزمایش کشش مستقیم ممانعت می کند.

3- در آزمایش کشش به روش مستقیم، نمونه به وسیله دو صفحه فلزی که با چسب مناسب به سر و ته آن چسبانده می شود، به زنجیر کششی متصل می گردد. در این میان، کنترل ضخامت لایه چسب (حداکثر 1.5 میلی متر) و البته هم راستا بودن محور صفحات فلزی با محور طولی نمونه بسیار دشوار است.


  • برای آزمایش تعیین مقاومت کششی ماده سنگ به روش غیر مستقیم نیز، دو شیوه تقریباً متفاوت وجود دارد. در روش نخست، نیروی فشاری در راستای صفحه محوری نمونه اعمال می شود و در نتیجه شکست نمونه تحت تنش کششی و در راستای عمود بر صفحه محوری رخ می دهد. اما در روش پیشنهادی انجمن بین المللی مکانیک سنگ که به آزمایش برزیلی موسوم است، نیروی جک به واسطه دو فک منحنی شکل که با دو میله با یک دیگر درگیر می شوند، به نمونه انتقال می یابد. در حالی که در استاندارد آمریکایی آزمایش ها و مواد، شماره D3967-92، برای اندازه گیری مقاومت کششی سنگ بکر، جک های بارگذاری به طور مستقیم یا به وسیله صفحات بارگذاری مسطح یا منحنی مجزا روی نمونه های استوانه ای قرار می گیرند. در این مقاله سعی شده است تا خواننده با یکی از معروف ترین آزمایش های مکانیک سنگ آشنا شود.

هدف آزمایش بریزیلی


هدف از این آزمایش اندازه گیری مقاومت کششی نامحصور نمونه های آماده شده از ماده سنگ، به طور غیر مستقیم است.


اهمیت و موارد استفاده


با تکیه بر شواهد تجربی، در میدان های تنش دو محوری، در شرایطی که یک تنش اصلی کششی و تنش اصلی دیگر فشاری و کمتر از سه برابر تنش اصلی کششی باشد، شکست سنگ ها در مقاومت کششی آنها رخ می دهد.

اهمیت و موارد استفاده از آزمایش تعیین مقاومت کششی سنگ به روش غیر مستقیم یا آزمایش بریزیلی را می توان در موارد زیر خلاصه نمود:


  • تعیین مقاومت کششی سنگ
  • حصول اطمینان از دقیق بودن پارامترهای مقاومتی سنگ

محدودیت آزمایش تعیین مقاومت کششی سنگ به روش غیر مستقیم (بریزیلی)


در نمونه های با تخلخل زیاد، اسفنجی، دانه درشت و دارای سطوح ناهمسان، نتایج این آزمایش از دقت کافی برخوردار نیست و نمی توان به نتایج حاصله اکتفا نمود.


ابزار آزمایش بریزیلی


دستگاه آزمایش شامل اجزای زیر می باشد:


دو فک بارگذاری فولادی دستگاه، به گونه ای که هر یک از آن ها با یک نمونه سنگ به شکل دیسک، در دو سطح به طور قطری متقابل، در کمانی با زاویه تقریبی 10 درجه در لحظه شکست تماس داشته باشند. شکل این ابزار در ادامه نشان داده شده و مشخصات آن شرح داده شده است:


  • شعاع انحنای فک ها  باید 1.5 برابر شعاع نمونه آزمایشگاهی باشد.
  • لقی میله های هادی باید به قدری باشد که چرخش یک فک نسبت به دیگری از 0.004 رادیان خارج از صفحه ابزار آزمایش تجاوز نکند. این بدان معنی است که در ازای 25 میلیمتر درازای درگیری میله های هادی، میزان لقی نباید بیش از 0.1 میلی متر باشد.
  • پهنای فک ها باید حداقل 1.1 برابر ستبرای نمونه باشد.
  • فک بالایی باید شامل یک نشستگاه نیم کره به قطر 25 میلیمتر باشد.
اجزای مختلف دستگاه آزمایش برزیلی
اجزای مختلف دستگاه آزمایش برزیلی

  • نوار چسبی با پهنای اندکی بیش از ستبرای نمونه مورد آزمایش با ستبرای 0.2 تا 0.4 میلیمتر لازم است.
  • نحوه اعمال نیرو، سرعت و آهنگ بارگذاری و سایر مشخصات دستگاه آزمایش باید با یکی ازاستانداردهای بین المللی مانند (ASTM شماره E4) یا (BS1610) و یا (DIN51223, 51220) هماهنگی و مطابقت داشته باشد.
  • برای جلوگیری از خطاهای انسانی در نتایج آزمایش نظیر خطای قرائت، بهتر است دستگاه بارگذاری به یک سیستم ثبت داده (Data Logger) مجهز باشد تا بار وارده و جابه جایی ایجاد شده را ثبت و بار شکست را با دقت بیشتری اندازه گیری نماید. این کار به اندازه گیری بار شکست کمک می کند.
دستگاه تعیین مقاومت کششی به روش غیر مستقیم
دستگاه تعیین مقاومت کششی به روش غیر مستقیم

آماده سازی نمونه


نمونه آزمایشگاهی مناسب برای آزمایش بریزیلی باید مشخصات زیر را داشته باشد:


  • این نمونه ها باید با استفاده از آب تمیز، برش داده و آماده شوند. سطح جانبی نمونه استوانه ای باید عاری از هرگونه اثر ابزارهای برش باشد و پستی و بلندی و ناهمواری های روی آن نباید بیش از 0.025 میلیمتر تجاوز کند. سطوح انتهایی نمونه باید با دقت 0.25 میلی متر صاف بوده و ضمن عمود بودن بر محور نمونه، با دقت 0.25 درجه با یکدیگر موازی باشند.
  • توجیه فضایی نمونه نسبت به سطوح ناهمسانی موجود باید مشخص شود.
  •  درصد رطوبت نمونه نیز باید کنترل یا اندازه گیری شده و گزارش آن بر پایه (روش پیشنهادی برای تعیین درصد رطوبت یک نمونه سنگ) تهیه شود.
  • قطر نمونه آزمایشگاهی نباید کم تر از اندازه مغزه NX بوده (به طور تقریب 54 میلیمتر) و ستبرای آن باید در محدوده شعاع نمونه باشد. حداکثر اندازه قطر نمونه، به اندازه فک ها بستگی داشته و اغلب در محدوده قطر مغزه های رایج حفاری است.

مراحل اجرای آزمایش تعیین مقاومت کششی سنگ به روش غیر مستقیم (بریزیلی)


الف) در ابتدا با استفاده از یک لایه نوار چسب دور نمونه به طور کامل پوشش داده می شود و سپس به صورت عمودی در داخل دستگاه قرار می گیرد. نحوه قرارگیری نمونه باید به نحوی باشد تا بار توسط صفحات منحنی شکل، به صورت قطری بر نمونه وارد شود. (در این حالت محور دستگاه بر محور دوران نمونه آزمایش منطبق است.)

 ب)  بارگذاری در روند آزمایش باید با آهنگ ثابت حدود 200 نیوتن در ثانیه به شکلی یکنواخت بر نمونه وارد شود به گونه ای که در ضعیف ترین سنگ ها شکست در یک بازه 15 تا 30 ثانیه ای رخ دهد.

ج) در صورت مجهز بودن دستگاه به ثبات (دیتالاگر)، میزان تغییرات بار و تغییر شکل متناظر با نخستین ترک در نمونه با دقت ثبت می شود. اما در حالتی که دستگاه به این وسیله مجهز نباشد، این مرحله به صورت چشمی و به وسیله آزمونگر تعیین می شود. آزمونگر باید سعی کند تا باری که در آن نخستین شکست اولیه رخ می دهد را به دقت تشخیص داده و ثبت نماید. در لحظه ایجاد نخستین شکست، توقفی کوتاه در حرکت سوزن شاخص بار دیده می شود. به هرحال تفاوت میان مقدار بار در لحظه نخستین شکست و مقدار بیشینه آن در مقاومت نهایی نمونه، حدود 5 درصد است.

د) تعداد نمونه های مورد آزمایش باید با رعایت ملاحظات عملی تعیین شود، اما به طور معمول برای هر آزمایش، 10 عدد نمونه مورد نیاز است.

ه) سطح شکست در این آزمایش، به طور معمول عمود بر سطح مقطع نمونه و در راستای بارگذاری می باشد. در غیر این صورت، ضمن بررسی علت آن، نتیجه آزمایش باید با احتیاط مورد استفاده قرار گیرد.

نحوه توزیع تنش ها در آزمایش برزیلی
نحوه توزیع تنش ها در آزمایش برزیلی

محاسبات


برای محاسبه مقدار مقاومت کششی باید از رابطه زیر استفاده شود:


محاسبه مقدار مقاومت کششی

P = بار در لحظه شکست (نیوتن)

D = قطر نمونه (میلی متر)

t = ضخامت نمونه آزمایش در مرکز آن (میلی متر)


گزارش نتایج آزمایش بریزیلی


گزارش نتیجه های آزمایش بریزیلی باید دست کم موارد زیر را شامل شود:


  1. اطلاعات مربوط به نمونه برداری شامل: موقعیت جغرافیایی، عمق، توجیه فضایی، تاریخ، روش نمونه برداری و در صورت لزوم نقشه ای که نقاط نمونه برداری روی آن نشان داده شده باشد.
  2. تشریح جزئیات روش آماده سازی نمونه به همراه وضعیت محیطی نمونه در دوران انبارداری شامل رطوبت، حرارت و غیره باید به صورت مکتوب در گزارش آورده شود.
  3. تشریح لیتولوژیکی نمونه آزمایش به ویژه اندازه دانه های تشکیل دهنده سنگ.
  4. مشخص بودن راستای محور بارگذاری نسبت به ناهمسانی، لایه بندی، رخ (کلیواژ)، تورق و…
  5. تشریح میزان درصد رطوبت و درجه اشباع نمونه در زمان آزمایش.
  6. تشریح مشخصات دستگاه: روش اعمال بار و اندازه گیری آن.
  7. تاریخ انجام آزمایش.
  8. ابعاد نمونه (قطر و ارتفاع نمونه).
  9. مدت زمان آزمایش و سرعت بارگذاری.
  10. درصورتی که مشخصات دیگری از نمونه نظیر جرم حجمی، تخلخل محاسبه شده است باید با ذکر روش تعیین آن، در گزارش ذکر شود.
  11. مقاومت کششی برای هریک از نمونه های آزمایشگاهی گرفته شده از هر نمونه صحرایی با یک عدد سه رقمی و با دقت 1 درصد، همراه با میانگین نتیجه ها، برای هر نمونه در داخل گزارش ثبت می شود.

نمونه ای از جدول ثبت نتایج آزمایش برزیلی در ادامه مقاله مشاهده می شود.

گزارش آزمایش مقاومت کششی به روش غیر مستقیم (آزمایش برزیلی)
گزارش آزمایش مقاومت کششی به روش غیر مستقیم (آزمایش برزیلی)

منابع:

  1. نشریه شماره 737 سازمان برنامه و بودجه کشور “دستورالعمل انجام آزمون های آزمایشگاهی و صحرایی مکانیک سنگ”

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :

در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

سایر مقاله ها

خطا ها و محدودیت ها و مزایای مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی

نیروهای حجمی ناشی از گرانش نقش بسیار مهمی در مسائل [...]


بیشتر بخوانید

تئوری، ساز و کار و فرضیات مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی

یکی از بهترین روش های بررسی یک پدیده در مهندسی، [...]


بیشتر بخوانید

قوانین مقیاس و کاربرد‌های مدل سازی فیزیکی با استفاده از دستگاه سانتریفیوژ ژئوتکنیکی

یکی از بهترین روش های بررسی یک پدیده در مهندسی، [...]


بیشتر بخوانید

آزمایش آماس سنگ (Swelling testing of rock)

در طی حفر فضاهای زیرزمینی احتمال وجود شرایط مختلف زمین [...]


بیشتر بخوانید