ایستاسازه
En Ar

خانه - مطالب آموزشی - دستورالعمل آزمایش تعیین سختی واجهشی سنگ به وسیله چکش اشمیت (Schmidt hammer test)

سختی سنگ، عبارت است از میزان مقاومت سنگ در برابر نیروی خارجی اعمال شده ناشی از تماس، سایش یا ضربه جسم دیگر. به طور کلی بسته به این که این نیرو به شکل تدریجی یا ناگهانی به سنگ وارد شود، سختی به دو صورت سختی استاتیکی و سختی دینامیکی تقسیم بندی می شود. در حالت کلی، مقادیر این سختی ها لزوما با یکدیگر برابر نیستند و می توان از طریق آزمایش های گوناگونی همچون براینل، ویکرز، راکول، اسکلروسکوپ، چکش اشمیت و … آن ها را به دست آورد.

انواع سختی در سنگ ها
انواع سختی در سنگ ها

سختی استاتیکی سنگ ها مانند دیگر جامدات، با ایجاد خراش یا نفوذ تدریجی جسم دیگر مشخص می گردد. افزون بر روش موس، آزمایش های براینل (Brinell) (نفوذ نوک نیم کره ای فولادی در نمونه) ، ویکرز (Vickers) (نفوذ الماس هرمی شکل) و راکول (Rockwell) (نفوذ نوک تیز در اثر اعمال دو نوع بار به صورت متوالی) برای تعیین سختی استاتیکی به کار می روند.

سختی دینامیکی سنگ، در حقیقت عبارتست از واکنش سنگ در برابر اعمال ضربه است که با کمک آزمایش هایی مانند چکش اشمیت (Schmidt Hammer) و اسکلروسکوپ (Shore Scleroscope) به دست می آید.

** درجه سختی دینامیکی، تابعی از مقادیر انرژی از دست رفته در تغییر شکل خمیری و شکست سنگ در نقطه اعمال ضربه است.

چکش اشمیت، در آزمایش های صحرایی و آزمایشگاهی سنگ و بتن، به طور گسترده به کار برده می شود. از دیگر مزایای این آزمایش وجود روابط همبستگی با سایر مشخصات می باشد. این امر به مهندسین امر کمک می کند تا با صرف هزینه و وقت کمتر مشخصه مد نظر خود را به دست آورند. به عنوان مثال، از نتایج به دست آمده از این آزمایش، می توان برآورد قابل قبولی از مقاومت فشاری سنگ و البته مقاومت برشی درزه ها به دست آورد. با توجه به کاربرد وسیع و اهمیت تعیین سختی سنگ با این ابزار، در این مقاله، دستورالعمل آزمایش تعیین سختی واجهشی سنگ به وسیله چکش اشمیت ارائه می شود.


هدف


هدف، تعیین سختی واجهشی سنگ ها با استفاده از چکش اشمیت است. البته ذکر این نکته ضروری است که استفاده از چکش اشمیت در سنگ های بسیار نرم یا بسیار سخت نتایج مناسبی را در پی نخواهد داشت.


ابزار آزمایش


دستگاه آزمایش چکش اشمیت شامل اجزای زیر می باشد:


  • چکش اشمیت که به وسیله آن، سختی واجهشی مصالح مورد آزمایش همچون سنگ ها، تعیین می شود. برای این کار، با فشار دادن قسمت ضربه زن چکش روی سطح نمونه، فنر ضربه زن داخل چکش به سمت داخل فشرده می شود.

انرژی پتانسیل حاصل از این فرآیند در این فنر ذخیره خواهد شد. پس از فشرده شدن کامل فنر، ضامن داخلی چکش به طور خودکار آزاد شده و ضربه زن با یک سطح انرژی از پیش تعیین شده به سطح نمونه ضربه می زند. میله ضربه زن پس از برخورد به سطح نمونه، در جهت عکس مسیر ضربه برگشت می کند. مدت زمان برگشت ناشی از این برخورد، مقیاسی برای اندازه گیری سختی واجهشی سنگ ها و سایر مصالح مورد آزمایش می باشد. محدوده عدد سختی اشمیت، بین 10 تا 100 است.

چکش اشمیت قابل حمل است و استفاده از آن، هم در محیط آزمایشگاه و هم در صحرا به سادگی انجام پذیر است.

چکش اشمیت در سطوح مختلف انرژی ساخته می شود که شامل موارد زیر است:


الف) چکش اشمیت نوع L با انرژی برخورد 0.735 نیوتن متر


  • این چکش برای سنگ های نرم با عدد برگشتی 30 یا کمتر مناسب می باشد
  • استفاده از این چکش با انرژی کم، برای جلوگیری از شکستن سنگ در هنگام آزمایش صورت می گیرد. در شکل زیر تصویر این چکش قابل مشاهده می باشد.

ب) چکش اشمیت نوع N با انرژی برخورد 2.207 نیوتن متر


  • این چکش معمولاً در عملیات مکانیک سنگ مورد استفاده قرار می گیرد.

ج) چکش اشمیت نوع M با انرژی برخورد 29.43 نیوتن متر


  • کاربرد این چکش در توده سنگ های با حجم بالا می باشد.
چکش اشمیت نوع L و پایه نگهدارنده
چکش اشمیت نوع L و پایه نگهدارنده

  • پایه فلزی: این پایه وظیفه محکم نگه داشتن نمونه در حین آزمایش را بر عهده دارد. وزن آن حداقل 32 کیلوگرم بوده و برای نمونه های مغزه ای، از  پایه هایی که دارای شیاری با مقطع نیم استوانه و هم شعاع با اندازه مغزه یا مقطع V شکل استفاده می شود.
  • دستگاه صحت سنج برای عملکرد دستگاه (کالیبراسیون) شامل سندان فولادی به وزن 35 کیلوگرم که در ابعاد و سختی استاندارد، توسط کارخانه سازنده در اختیار قرار می گیرد. در شکل زیر می توان شکل آن را مشاهده نمود.
سندان فولادی چکش اشمیت
سندان فولادی چکش اشمیت

آماده سازی نمونه


در آزمون های آزمایشگاهی چکش اشمیت می توان از قطعات سنگ باقی مانده از دیگر آزمایش ها بهره گیری کرد. البته بهتر آن است از نمونه های بزرگ سنگ استفاده شود. به عنوان نمونه: چکش نوع L باید روی مغزه های NX (قطر حدود 54 میلی متر) یا بزرگ تر و یا قطعاتی از سنگ، که حداقل هربعد آن 6 سانتی متر است، به کار برده شود.. سطحی که چکش بر آن فرود می آید، باید صاف و هموار باشد. این سطح تا عمق 6 سانتی متری داخل سنگ باید بدون ترک و ناپیوستگی های موجود در توده سنگ، باشد.


مراحل انجام آزمایش چکش اشمیت


مراحل زیر، در مورد این آزمایش، اجرا می شود:


الف) پیش از انجام هر مجموعه آزمایش، ابتدا لازم است تا چکش اشمیت با کمک سندان کالیبره شود. برای کالیبراسیون به طور میانگین 10 قرائت صورت می گیرد.

ب)  هنگام آزمایش روی قطعات کوچک سنگ، چه در آزمایشگاه و چه در صحرا، برای جلوگیری از حرکت و اطمینان از عدم لرزش نمونه باید از اتصال محکم نمونه به پایه اطمینان حاصل شود.

ج) مقدار سختی به مقدار قابل توجهی به راستای برخورد چکش با نمونه بستگی دارد. توصیه می شود که چکش در یکی از سه وضعیت قائم رو به بالا، افقی و یا قائم رو به پایین با تقریب 5± درجه مورد استفاده قرار گیرد. در مواقعی که امکان استفاده از امتدادهای سه گانه گفته شده وجود نداشته باشد، آزمایش باید در زوایای مورد نیاز انجام شده و نتیجه آنها با استفاده از منحنی های تصحیح که توسط شرکت سازنده چکش ارائه می شود، به وضعیت های افقی و قائم اصلاح گردد. راستای قرارگیری چکش در آزمایش و هرگونه تصحیح انجام شده در حالت های غیرافقی یا غیرقائم، باید ثبت و در گزارش نتیجه ها آورده شود. در وضعیت غیر قائم نتایج باید با توجه به جدول زیر اصلاح شود.

تصحیح نشانه های آزمایش چکش برای ضربه های غیرافقی
تصحیح نشانه های آزمایش چکش برای ضربه های غیرافقی

د) در برخی دستورالعمل ها پیشنهاد شده است که شمار 5 ضربه چکش اشمیت در نقطه مورد نظر وارد شود تا اثر ناهمواری های کوچک سطح سنگ حذف شده و جواب ها از یکنواختی مناسبی برخوردار گردد.

** برای هر نمونه سنگ باید حداقل 20 آزمایش انجام شود و محل آزمایش ها باید دست کم به اندازه قطر ضربه زن از یکدیگر فاصله داشته باشند.

** اگر در اثر آزمایش ترک یا هر شکستگی قابل مشاهده دیگری ایجاد شود، نتیجه های آزمایش پذیرفتنی نبوده و آن نمونه برای آزمایش های بعدی قابل استفاده نخواهد بود.

از سختی واجهشی اشمیت می توان مقدار مقاومت فشاری تک محوری سنگ را برآورد نمود.

نمودار وابستگی مقاومت فشاری سنگ به عنوان تابعی از شمار سختی واجهشی اشمیت و چگالی خشک
نمودار وابستگی مقاومت فشاری سنگ به عنوان تابعی از شمار سختی واجهشی اشمیت و چگالی خشک

محاسبات


ضریب تصحیح بر پایه رابطه زیر محاسبه می شود:

 ضریب تصحیح چکش

مقادیر اندازه گیری شده بر روی سنگ مورد آزمایش به ترتیب از زیاد به کم مرتب شده و نصف نتیجه های به دست آمده که دارای کمترین مقدار می باشند، حذف و از بقیه میانگین گرفته می شود. این میانگین در ضریب تصحیح ضرب شده و عدد به دست آمده به عنوان مقدار سختی واجهشی سنگ گزارش می شود.

تجهیزات استفاده شده در آزمایش چکش اشمیت جهت تعیین سختی واجهشی سنگ
تجهیزات استفاده شده در آزمایش چکش اشمیت

گزارش نتایج آزمایش چکش اشمیت


گزارش نهایی آزمایش چکش اشمیت باید موارد زیر را شامل شود:


  • توصیف سنگ شناسی نمونه آزمایش همراه با تصاویر نمونه
  • مشخصات محل برداشت نمونه از نظر:

1- موقعیت جغرافیایی

2- عمق قرارگیری و جهت آن

  • توضیح روش نمونه گیری (مغزه گیری، آتش کاری و یا روش برجا)
  • اندازه و شکل مغزه یا قطعات نمونه
  • تاریخ نمونه برداری
  •  تاریخ انجام آزمایش
  •  شرایط نگهداری نمونه ها
  •  زاویه اعمال ضربه یا راستای قرارگیری محور چکش در زمان آزمایش

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

روش های محاسبه ظرفیت باربری جانبی شمع (Lateral bearing capacity of pile)

در طی سالیان گذشته، محققان، روش های مختلفی را برای [...]


بیشتر بخوانید

شاخص های آسیب پذیری خاک در برابر روانگرایی (Soil liquefaction indicator)

تمامی خاک ها در برابر روانگرایی آسیب پذیر نیستند، بنابراین [...]


بیشتر بخوانید

انتقال حرارت در خاک های غیر اشباع (Heat Transfer in Unsaturated Soil)

انتقال و جریان حرارت در خاک ها با سه ساز و [...]


بیشتر بخوانید

پی های حلقه ای، صندوقه ای و پوسته ای (ring, shell & caisson foundation)

با توجه به اهمیت زیاد شالوده در پایداری سازه ها، [...]


بیشتر بخوانید