آشنایی با مقاومت خمشی سنگ‌‌های ساختمانی

یکی از مهم‌‌ترین کاربردهای سنگ‌‌های ساختمانی، استفاده از آن‌‌ها در کف پوش پارکینگ‌‌ها است. حتماً تاکنون مشاهده کرده‌‌اید که در بعضی از قسمت‌‌ها، تایل‌‌های سنگ دچار ترک‌‌خوردگی یا گسیختگی کامل شده‌‌اند. تردد زیاد وسایل نقلیه و اعمال نیروهای فراتر از حد تحمل سنگ، باعث ایجاد چنین حالتی می‌‌شود. سخت‌‌ترین سنگ‌‌های ساختمانی هم دارای حد تحملی هستند و عملاً هیچ سنگی بطور نامحدود مقاوم نیست. لذا آنچه در چنین موقعیتی بیشتر مورد توجه است. مقاومت خمشی سنگ های ساختمانی می‌‌باشد.

تعریف مقاومت خمشی

در یک تعریف کلی، مقاومت یک سنگ برای تحمل نیروهای غیریکنواخت که منجر به خم شدن سنگ می‌‌شود – به طوریکه سنگ دچار گسیختگی نشود- به عنوان مقاومت خمشی یا مدول گسیختگی سنگ شناخته می‌‌شود. نیروهای غیر یکنواخت، معمولاً به صورت متمرکز تنها روی قسمت یا قسمت‌‌هایی از سنگ اعمال می‌‌شوند که می‌‌تواند ناشی از تاثیر بارهای دینامیک یا پویا مانند: عبور وسایل نقلیه و استاتیک یا ایستا مانند: قرار گرفتن اجسام سنگین روی سنگ برای دراز مدت باشد.

وقتی یک نمونه از سنگ ساختمانی (تایل، اسلب، استریپ و غیره) تحت خمش قرار می‌‌گیرد، در قسمت مقعر سنگ، تنش در حداکثر مقدار فشاری خود و در قسمت محدب سنگ، تنش در حداکثر مقدار کششی خود خواهد بود. از آنجایی که مقاومت کششی سنگ‌‌ها بسیار کمتر از مقاومت فشاری آن‌‌ها است، سنگ‌‌های ساختمانی معمولاً تحت تنش کششی گسیخته می‌‌شوند؛ بنابراین حداکثر مقدار تنش کششی که سنگ می‌‌تواند قبل از شکست تحمل کند، همان مقاومت خمشی آن است.

منشا مقاومت خمشی سنگ‌‌ها

به طور کلی سنگ‌‌های ساختمانی از کنار هم قرار گرفتن بلور کانی‌‌ها و سایر اجزاء تشکیل می‌‌شوند. بلورها می‌‌توانند همچون سنگ گرانیت، به واسطه‌‌ی درهم قفل‌‌شدگی کنار هم قرار گیرند و یا اینکه همچون ماسه‌‌سنگ، یک سیمان نگه‌‌دارنده آن‌‌ها را کنار هم منسجم نگاه دارد.

اما آنچه باعث تامین مقاومت خمشی و به طور کلی مقاومت سنگ است، نحوه و نوع اتصال اجزای سنگ می‌‌باشد. در حقیقت، سطح تماس بین بلورها و اجزای سنگ و اصطکاک و درهم تنیدگی این قطعات باعث می‌‌شود سنگ مقاومت لازم را برای تحمل نیروها کسب کند.

سنگ های ساختمانی در باغ کتاب

در نتیجه سنگ‌‌هایی که بافت متراکم دارند مانند: گرانیت، مقاومت خمشی مناسبی خواهند داشت اما سنگ‌‌هایی که حفرات و تخلخل زیادی دارند مانند: تراورتن پر حفره، دارای مقاومت خمشی کمتری خواهند بود.

جدول مشخصات مکانیکی چند نمونه سنگ. در این جدول، مقاومت خمشی با عنوان مدول گسیختگی ارائه شده است.

عوامل موثر بر مقاومت خمشی سنگ‌‌ها

1) بافت سنگ: بافت سنگ و به عبارت دیگر، نحوه‌‌ی قرارگیری اجزای تشکیل دهنده‌‌ی سنگ کنار یکدیگر، تاثیر بسزایی در عملکرد سنگ مقابل نیروهای غیر یکنواخت دارد.

چنانچه بلورهای سنگ در هم قفل‌‌شدگی بیشتری داشته باشند، سنگ مقاوم‌‌تر خواهد بود. در سنگی مانند: گرانیت، مرز بین کانی‌‌ها (به ویژه کوارتز و فلدسپار) بصورت مضرس و انحنادار است که این وضعیت باعث درهم تنیدگی بیشتر اجزاء شده و مقاومت سنگ افزایش پیدا خواهد کرد.

اما در سنگی مانند: مرمریت به علت آنکه مرز بین بلورهای کلسیت (کربنات کلسیم) معمولاً به صورت صاف و با انحنای کم است، در نتیجه سطح درگیر بین اجزاء کمتر بوده و مقاومت خمشی نیز کمتر خواهد بود.

بافت سنگ ماربل با سطح تماس صاف بین بلورها

مقاومت خمشی سنگ گرانیت — بافت سنگ گرانیت با درهم‌‌قفل‌‌شدگی بسیار خوب بلورها

2) جنس سنگ: مقاومت یک سنگ ساختمانی، بسیار تحت تاثیر جنس آن سنگ است. به عبارت ساده‌‌تر، سنگ‌‌های نرم‌‌تر مقاومت کمتری نیز خواهند داشت.

سنگ مرمریت از جنس کربنات کلسیم (یا کربنات منیزیم) است. کانی کلسیت، که نوعی کربنات کلسیم است، دارای سختی 3 در معیار موس زمین‌‌شناسی است. در صورتی که سنگی مانند: گرانیت سفید عمدتاً از کانی‌‌های سخت‌‌تری چون کوارتز و فلدسپار تشکیل شده‌‌اند.

در نتیجه، مقاومت مرمریت از گرانیت کمتر خواهد بود زیرا کانی‌‌های سازنده‌‌ی ضعیف‌‌تری دارد. هم‌‌چنین، طی فرآیند دگرگونی به دلیل تغییرات گسترده‌‌ی ناشی از حرارت و فشار در بافت سنگ، سنگ مقاوم‌‌تر می‌‌شود. مثلاً سنگ چینی سفید بدون رگه، بسیار مقاوم‌‌تر از سنگ کربناته‌‌ی دگرگون نشده است. به همین دلیل، سنگ چینی به طور گسترده در کف‌‌سازی پارکینگ‌‌ها و راهروها مورد استفاده قرار می‌‌گیرد.

تاریخچه فراوری و استفاده از سنگ های طبیعی

3) اندازه ذرات: در یک نگاه کلی، هرچه اندازه‌ی بلورها و ذرات تشکیل دهنده‌‌ی سنگ کوچکتر باشد، سنگ مقاومت بیشتری خواهد داشت زیرا در این صورت سطح ویژه‌‌ی درگیر بین بلورها بیشتر بوده و نیروی اصطکاک کافی برای تامین مقاومت خمشی سنگ وجود خواهد داشت. در سنگ‌‌هایی که اندازه‌‌ی بلورهای درشت‌‌تری دارند (مانند: پورفیری‌‌ها) وضعیت برعکس است.

4) رگه‌‌ها و سطوح ضعف مکانیکی: رگه‌‌ها و شکستگی‌‌های سنگ، نقش سطوح ضعف مکانیکی را ایفا می‌‌کنند. به عبارت دیگر، هنگامی که سنگ تحت تاثیر نیروهای غیر یکنواخت قرار می‌‌گیرد، سنگ از ناحیه‌‌ی رگه ‌‌ها و شکستگی ‌‌ها تضعیف شده و امکان گسیختگی وجود دارد.

وقتی قسمتی از سنگ در حالت خمش قرار می‌‌گیرد، در قسمت محدب سنگ، تنش‌‌های کششی وارد عمل می‌‌شوند؛ چنانچه در قسمتی که تحت کشش است رگه ‌‌ها و شکستگی ‌‌ها وجود داشته باشند و محور تنش کششی، عمود بر راستای شکستگی‌‌ها باشد، سنگ به راحتی گسیخته خواهد شد. اما باید توجه داشت، اگر مواد پر کننده‌‌ی طبیعی در سنگ‌‌ها مقاوم باشند (مانند: سیلیس و کلیست در سنگ مرمریت)، مقاومت سنگ در این صورت ارتقاء پیدا خواهد کرد و وجود مواد نرم‌‌تر مانند: رس‌‌ها در این رگه‌‌ها، سنگ را بیشتر تضعیف می‌‌کند.

رگه های سنگ ساختمانی — رگه‌‌های موجود در سنگ‌‌های ساختمانی

5) تخلخل سنگ: سنگ‌‌هایی که تخلخل و حفرات بیشتری دارند، حالت پوک داشته و مقابل نیروها، عملکرد ضعیف‌‌تری خواهند داشت. پس توجه به درصد تخلخل سنگ‌‌ها، از این جهت بسیار حائز اهمیت است.

سنگ ساختمانی تراورتن — سنگ تراورتن متخلخل

6) نوع و درصد سیمان: برخی از سنگ‌‌ها مانند: ماسه‌‌سنگ، دارای سیمانی هستند که ذرات سنگ را کنار یکدیگر نگاه می‌‌دارد. اغلب این سیمان‌‌ها رسی یا کربناته هستند. به طور کلی هرچه میزان سیمان در چنین سنگ‌‌‌هایی بیشتر باشد، سنگ عملکرد مقاومت‌‌تری خواهد داشت.

عکس سنگ ماسه سنگ — ماسه‌‌سنگ با سیمان شدگی بسیار خوب

7) جهت اعمال نیرو: اگر جهت تنش کششی، عمود بر راستای رگه‌‌ها و شکستگی‌‌ها باشد، مقاومت سنگ به حداقل میزان کاهش می‌‌یابد. اما چنانچه جهت نیروهای مذکور هم راستا با شکستگی‌‌ها باشد، سنگ بیشترین مقاومت را نشان می‌‌دهد. لذا توجه به میزان و جهت رگه‌‌ها در حین فرآوری سنگ و سپس انتخاب تایل و اسلب مناسی برای نصب در مکان‌‌های پر تردد که در معرض نیروهای مستمر هستند، بسیار مهم است.

آشنایی با سنگ گرانیت هلویی تایباد

8) رطوبت نمونه: چنانچه سنگ دارای میزانی از رطوبت باشد، مقاومت آن کمتر از حالت خشک خواهد بود.

9) اندازه و هندسه‌‌ی نمونه: در یک نگاه کلی، هرچه ضخامت یک سنگ بیشتر باشد، مقاومت خمشی سنگ نیز بیشتر خواهد بود. هم‌‌چنین اگر فاصله‌‌ی بین نیروهای ایجاد کننده‌‌ی خمش بیشتر باشد (طول نمونه بیشتر شود)، به علت آنکه میزان گشتاور ایجاد شده در مرکز نمونه افزایش پیدا خواهد کرد، مقاومت خمشی سنگ نیز کمتر می‌‌شود.

روش آزمایش

این آزمایش می‌‌تواند همانند آزمایش شاخص بار نقطه‌‌ای، بدون آنکه نیازی به برش و تراش دو انتهای نمونه‌‌ی سنگی باشد، انجام گیرد. آزمایش خمش به دو صورت سه نقطه‌‌ای و چهار نقطه‌‌ای بر اساس استاندارد ASTM C99/C99M انجام می‌‌شود.

واحد اندازه‌‌گیری مقاومت خمشی مانند: سایر شاخص‌‌های مقاومتی سنگ به صورت پاسکال، مگاپاسکال، کیلوگرم بر سانتی‌‌متر مربع و سایر واحدهای معادل بیان می‌‌شود.

در آزمایش خمش چهار نقطه‌‌ای، مغزه‌‌ی سنگی در امتداد محورش بر روی دو تکیه‌‌گاه نقطه‌‌ای، که با فاصله‌‌ای مشخص از هم قرار دارند، قرار می‌‌گیرد و سپس توسط دو نقطه‌‌ی دیگر که با فاصله‌‌ی کمتری از هم قرار گرفته‌‌اند، از بالا تحت فشار قرار می‌‌گیرد.

در نتیجه گشتاور یکنواختی در یک‌‌سوم مرکز نمونه ایجاد می‌‌شود؛ لذا روش چهارنقطه‌‌ای مناسب از روش سه‌‌نقطه‌‌ای است. مقدار مقاومت خمشی بدست آمده از این آزمون 2 تا 3 برابر بیش از مقدار بدست آمده از آزمایش کشش مستقیم است (معماریان، 1392).