تعریف مقاومت کششی سنگ
به طور کلی مقاومت کششی سنگ عبارت است از توانایی یک سنگ در تحمل تنش هایی که بصورت کششی به سنگ اعمال می شوند بطوری که ترک خوردگی یا گسیختگی در سنگ اتفاق نیفتد. برای مثال وقتی آب در داخل حفرات یک سنگ یخ می زند و افزایش حجم می دهد، با اعمال تنش های کششی در دیواره ی حفرات، منجر به ترک خوردگی و تخریب سنگ می شود.
عوامل موثر بر مقاومت کششی سنگ
مقاومت کششی سنگ های ساختمانی قبل از هرچیز، به سطوح ناپیوستگی موجود در بافت سنگ بستگی دارد که به عنوان سطوح ضعف مکانیکی محسوب می شوند. به عبارت دیگر، سنگ در قسمت هایی که دارای لایه بندی، تغییر جنس سنگ شناسی، جهت یابی، رگه و موارد مشابه است، ضعیف بوده و احتمال گسیختگی سنگ در آن بخش ها بیشتر است.
در سنگ هایی چون مرمریت که استحکام و انسجام سنگ به علت اعمال فشارهای روباره در طی عمر زمین شناسی و فرآیند سنگ شدگی شکل می گیرد، وجود رگه ها و شکستگی ها باعث می شود تا یکپارچگی سنگ از بین رود و مقاومت کششی کاهش پیدا کند. باید اشاره کرد، حتی اگر این شکستگی ها با مواد مقاوم پر شوند، باز هم استحکام سنگ در مقابل تنش های کششی بهبود کامل نخواهد یافت.
در سنگ هایی که تغییر جنس سنگ شناسی در آن ها به وضوح دیده می شود، مقاومت کششی و خمشی نیز کاهش پیدا خواهد کرد. در سنگی چون میگماتیت که ترکیبی از سنگ آذرین و دگرگونی است، مقاومت سنگ در قسمتی که تغییر جنس از آنجا شروع می شود، کاهش پیدا می کند.
علاوه بر این، مقاومت کششی سنگ های ساختمانی بسیار متاثر از جهت اعمال تنش یا بارگذاری است. به عبارت دیگر، چنانچه جهت اعمال تنش عمود بر سطح ضعف مکانیکی سنگ باشد، سنگ حداقل مقاومت کششی را خواهد داشت.
اما اگر جهت اعمال تنش موازی با راستای این سطوح باشد، سنگ حداکثر مقاومت کششی خود را نشان می دهد. در یک نگاه کلی، هرچه زاویه ی بین سطوح ضعف مکانیکی موجود در سنگ ساختمانی و جهت اعمال تنش بیشتر باشد، مقاومت کششی سنگ کمتر خواهد بود.
البته باید توجه داشت که وجود سطوح ضعف مکانیکی و تاثیر تنش های کششی بر سنگ همواره جنبه ی منفی ندارند. برای مثال در هنگام عملیات معدنکاری و باز کردن سینه کار، چنانچه بتوان جهت برش را متناسب با جهت سطوح ضعف مکانیکی انتخاب کرد، در این صورت برش سنگ نیز آسان خواهد بود.
هم چنین با کنترل نحوه ی خواباندن بلوک های بریده شده، می توان از وجود سطوح ضعف مکانیکی، حداکثر استفاده را کرد به این صورت که بلوک از محل سطوح ضعف بدون اعمال برش های اضافی، جدا خواهد شد.
پس آنچه در بالا بردن راندمان کوپ دهی و قواره بندی بلوک مهم است، بررسی و کنترل سطوح ضعف سنگ است.
مقاومت کششی در سایر سنگ های ساختمانی
تراورتن
این سنگ از انواع سنگ های رسوبی کربناته به شمار می رود که 2 ویژگی مهم دارد:
- تراورتن دارای سطوح لایه بندی متنوعی است که ضخامت آن ها می تواند متغیر باشد.
- تراورتن عموماً دارای حفرات و خلل و فرج زیادی است که این حفرات در نتیجه ی خروج گاز کربنیک اسید از بافت سنگ در ابتدای تشکیل این سنگ به وجود می آیند.
بنابراین انسجام سنگ تراورتن تحت تاثیر دو عامل فوق کاهش پیدا می کند و مقاومت آن در برابر تنش های کششی و خمشی نسبتاً کم خواهد بود.
سنگ چینی
سنگ چینی از انواع سنگ های دگرگونی محسوب می شود. در این سنگ ها، اعمال فشار و حرارت در طول عمر زمین شناسی، باعث شده تا استحکام و انسجام سنگ افزایش پیدا کند.
در این صورت سطوح ضعف مکانیکی اولیه در سنگ ها تا حدودی مقاومت خوبی خواهند داشت اگرچه مقاومت هم چنان نسبت به قسمت های یکنواخت سنگ کمتر خواهد بود.
گاهی وجود رگه های تیره در زمینه ی سفید باعث ایجاد تغییر در بافت سنگ چینی می شود که در این صورت مقاومت در برابر تنش های کششی و خمشی ممکن است در قسمت رگه ها کاهش پیدا کند.
ماسه سنگ
در ماسه سنگ، انسجام سنگ توسط سیمان کلسیتی یا رسی تامین می شود. در این صورت هرچه درصد سیمان در ساختار سنگ بیشتر باشد، مقاومت های کششی و خمشی سنگ بیشتر خواهد بود اما باید توجه داشت که در ماسه سنگ هایی که دارای لایه بندی زیادی هستند، نقش سطوح ضعف مکانیکی برجسته شده و مقاومت سنگ در محل لایه بندی ها کمتر خواهد شد.
گرانیت و اونیکس
در سنگ گرانیت به دلیل داشتن بافت درهم قفل شده، مقاومت کششی سنگ زیاد است. در سنگ اونیکس نیز به دلیل محدود بودن حفرات و رگه ها، مقاومت کششی در حد مناسبی است.
تعیین مقاومت کششی سنگ
برای سنجش مقاومت کششی سنگ، 2 روش کلی مستقیم و غیر مستقیم وجود دارد.
روش مستقیم: در روش مستقیم (استاندارد ASTM D2936-20)، سنگ با ابعاد هندسی منظم و استاندارد بطور مستقیم تحت کشش قرار می گیرد.
در این حالت، ابتدا نمونه ی استوانه ای شکل از سنگ به قطر حداقل 45 میلی متر و نسبت طول به قطر 2.5 تا 3 تهیه می شود و 2 سرِ نمونه توسط ماده ای همچون چسب (که مقاومت کششی آن باید از خود سنگ بیشتر باشد مانند: چسب اپوکسی) به فک کششی دستگاه متصل می شود.
انتقال تنش کششی تا جایی ادامه پیدا خواهد کرد که ترک و شکستگی در بافت سنگ پیدا شود و سنگ دچار گسیختگی گردد. انجام این آزمایش نسبت به روش غیر مستقیم سخت تر اما دقیق تر است.
روش غیر مستقیم: در این روش، مقاومت کششی سنگ از طریق انجام چند آزمایش غیر مستقیم تعیین می شود. آزمایش های غیر مستقیم عبارت هستند از: سنجش بار نقطه ای (استاندارد ASTM D5731) Point Load Test؛ آزمایش برزیلی (استاندارد ASTM D3967)؛ آزمایش خمش (استاندارد BS EN 14617-2:2016 – TC)
آزمایش برزیلی) به علت آنکه انجام آزمایش مقاومت کششی سنگ بصورت مستقیم دشوار است، آزمایش برزیلی بطور متداول در آزمایشگاه های مکانیک سنگ انجام می شود.
در این آزمایش، مقاومت کششی سنگ بصورت غیر مستقیم سنجیده می شود. ساز و کار آزمایش برزیلی بر این واقعیت استوار است که وقتی سنگ تحت تاثیر چند جهت تنش فشاری و تنها یک جهت تنشِ کششی قرار می گیرد، تنش کششی باعث گسیختگی سنگ می شود زیرا مقاومت کششی سنگ بسیار کمتر از مقاومت فشاری آن است.
شرایط خاص در انجام آزمایش
- لازم است مدت نگهداری نمونه ها از زمان نمونه برداری برجا بیش از 30 روز نشود تا شرایط طبیعی از جمله محتوای آب نمونه ها حفظ شود.
- بارگذاری باید کاملاً تک محوره باشد. به عبارت دیگر، محور نمونه ی استوانه ای باید کاملاً منطبق بر محور فک دستگاه باشد.
- نرخ بارگذاری بر روی نمونه باید بین 0.5 تا 1 مگاپاسکال باشد به گونه ای که نمونه طی مدت زمان تقریبی 5 دقیقه گسیخته شود.
- تعداد نمونه های مورد نیاز از هر نوع سنگ ساختمانی برای انجام آزمایش به نوع سنگ بستگی دارد اما نباید کمتر از 5 نمونه باشد.
مواردی که در هنگام ارائه ی نتایج مقاومت کششی سنگ باید ارائه شوند
- توصیف سنگ شناسی نمونه
- جهت گیری محور بارگذاری نسبت به جهت سطوح لایه بندی و ساختارهای صفحه ای مشابه در سنگ
- اطلاعات محل نمونه گیری شامل موقعیت جغرافیایی، عمق، جهت گیری، تاریخ و شرایط جوی محل
- تعداد نمونه های مورد استفاده برای آزمایش
- ابعاد هندسی نمونه های مورد آزمایش
- درصد آب و درجه ی اشباع نمونه در زمان آزمایش
- مدت زمان آزمایش و نرخ تنش
- تاریخ آزمایش و نوع دستگاه مورد استفاده
- موقعیت و جهت سطح شکست نمونه
- سایر اطلاعات فیزیکی سنگ از جمله تخلخل، دانسیته و غیره
- مقاومت کششی به دست آمده از هر یک از نمونه ها و ارائه ی مقاومت میانگین برای هر سنگ
کاربرد نتایج آزمایش مقاومت کششی
همان طور که گفته شد، مقاومت کششی سنگ بسیار کمتر از مقاومت فشاری آن است. از سویی دیگر، مقاومت کششی سنگ در ارتباط مستقیم با مقاومت خمشی سنگ است. لذا توجه مقاومت کششی سنگ در کف پارکینگ ها، راه پله ها و موارد مشابه که تحت تنش های مستمر هستند، ضروری است. استفاده از سنگ هایی که مقاومت کششی کمی دارند در چنین موقعیت هایی مناسب نیست.
هم چنین، در سنگ هایی که به دلیل داشتن رگه یا حفره، مقاومت کششی آنها محدود است، دوام سنگ نیز در برابر چرخه های ذوب و انجماد آب و تبلور نمک کم خواهد بود. لذا نباید از چنین سنگ هایی در مناطق سردسیر و شهرهای مجاور دریاهای آب شور استفاده کرد.
