آشنایی با آزمایش مقاومت فشاری تک محوره سنگ ساختمانی

از مهم‌‌ترین و مرسوم‌‌ترین آزمایش‌‌هایی که در بررسی ویژگی‌‌های مکانیکی سنگ‌‌های ساختمانی استفاده می‌‌شود، آزمایش تعیین مقاومت فشاری تک محوره سنگ یا Uniaxial Compressive Strength است که به اختصار UCS نامیده می‌‌شود. از دیگر پارامترهای مهمی که طی این آزمایش به دست می‌‌آید، مدول یانگ یا ضریب الاستیک است که نوع و میزان تغییر شکل سنگ در اثر اعمال نیرو را نشان ‌‌می‌‌دهد.

این آزمایش در بررسی کاربرد سنگ‌‌های ساختمانی اهمیت دارد بطوری که می‌‌توان به کمک آن میزان نیرویی را که سنگ می‌‌تواند بدون گسیختگی تحمل کند نشان می‌‌دهد و یا می‌‌توان با در نظرگیری میزان نیرو در یک موقعیت، نوع سنگ مناسب را برای آن کاربری انتخاب کرد. جزئیات ابزار و نحوه‌‌ی انجام این آزمایش در استاندارد ASTM D7012-10: 2011 به تفصیل ارائه شده است. علاوه بر استاندارد ASTM، استانداردهای دیگری چون EN که مختص اروپا و DN که مختص کشور آلمان هستند، تعریف شده‌‌اند.

علی‌‌رقم ظاهر ساده‌‌ی این آزمایش، انجام دادن آن به دلیل تاثیر عوامل مختلف در روند آزمایش، مشکل است. واحد سنجش مقاومت فشاری تک محوره، شامل پاسکال، مگاپاسکال، کیلوگرم برسانتی‌‌متر مربع و واحدهای معادل است که از این میان مگاپاسکال در آزمایشگاه‌‌های مکانیک سنگ، رواج بیشتری دارد.

عواملی که مقاومت فشاری تک محوره سنگ تاثیر دارند، به شرح زیر هستند:

ترکیب کانی‌‌شناسی

در بررسی ویژگی‌‌های مقاومتی یک سنگ ساختمانی، توجه به کانی‌‌شناسی آن بسیار حائز اهمیت است. به عبارت دیگر، مقاومت یک سنگ فاقد شکستگی، بطور خاص تحت تاثیر نوع کانی‌‌ها تشکیل دهنده‌‌ی آن است. هرچه مقاومت کانی‌‌های یک سنگ بیشتر باشد، مقاومت خود سنگ نیز بیشتر خواهد بود.

برای مثال، سنگی مانند: گرانیت سفید بروجرد یا نظنر، که دارای کوارتز بیشتری است، مقاومت بیشتری خواهد داشت نسبت به سنگی چون تراورتن آتش‌‌کوه، زیرا کانی کوارتز مقاومت بسیار بیشتر از کانی‌‌های کربناته دارد.

(Nur farhana et al., 2019)

بافت سنگ

بافت سنگ نیز مقاومت سنگ را کنترل می‌‌کند. هرچه بافت یک سنگ ساختمانی ریزتر باشد و به عبارت دیگر، بلورهای زمینه‌‌ی سنگ اندازه‌‌ی کوچک‌‌تری داشته باشند، مقاومت سنگ نیز افزایش پیدا خواهد کرد. برای مثال گرانیت‌‌های ریزدانه یا به اصطلاح دانه‌‌شکری، مقاومت بیشتر از گرانیت‌‌های پورفیریِ درشت بلور خواهند داشت.

شکستگی‌‌ها و ترک‌‌های سنگ

تاثیر شکستگی‌‌ها و ترک‌‌ها در کاهش مقاومت تراکمی سنگ ساختمانی کاملاً مشهود است. در سنگی مانند: مرمریت که وجود رگه‌‌های مختلف از ویژگی‌‌های بازر ظاهری آن محسوب می‌‌شود، اگر شکستگی‌‌های سنگ با مواد نرمی چون انواع رس‌‌ها پر شوند، چنین شکستگی‌‌هایی نقش سطوح ضعف مکانیکی داشته و مقاومت سنگ را در اثر اعمال نیرو کاهش می‌‌دهند.

در مقابل، چنانچه این شکستگی‌‌ها با مواد مقاومت‌‌تری مانند: کوارتز یا کلسیت پر شوند، مقاومت سنگ کاهش نیافته و در شرایطی حتی مقاوم تر نیز خواهد شد. مثال مشخص وضعیف مذکور، وجود رگه‌‌های سفید در سنگ مرمریت لاشتر است.

مطالعات انجام شده توسط بشیرگنبدی و همکاران (1388) نشان می‌‌دهد که سطح شکست نمونه سنگ در آزمایش تعیین مقاومت فشاری تک محوره، به ریزترک‌‌های اولیه‌‌ی سنگ بستگی دارد؛ البته موازی بودن سطوح بالایی و پایینی نمونه و هموار بودن آن‌‌ها طی آزمایش، از دیگر عوامل تاثیر گذار در شکل‌‌گیری سطح شکست هستند.

در ارتباط با نقش ترک‌‌ها در مقاومت فشاری تک محوره سنگ، باید به تاثیر چرخه‌‌های ذوب و انجماد در سنگ اشاره کرد. انجماد سیالی چون آب در خلل و فرج سنگ، باعث افزایش حجم آب در داخل سنگ و ایجاد ترک در فضای سنگ می‌‌شود.

بطور متوالی، با نفوذ آب به داخل سنگ و انجماد آن، پس از طی شدن چندین چرخه، ترک‌‌های درون سنگ گسترش پیدا کرده و مقاومت سنگ کاهش پیدا خواهد کرد. بطور مثال مقاومت مرمریت شایان، پس از گذراندن 120 چرخه‌‌ی ذوب و انجماد، از حدود 64 مگاپاسکال به حدود 44 مگاپاسکال کاهش پیدا کرده است.

دانسیته و تخلخل

مطالعات گسترده حاکی از آن است که مقاومت فشاری تک محوره سنگ، رابطه‌‌ی قابل توجهی با میزان دانسیته و تخلخل یا همان فضاهای خالی سنگ دارد به‌‌طوری که با افزایش تخلخل، مقاومت سنگ کاهش یافته و با افزایش دانسیته، سنگ مقاومت بیشتری نشان خواهد داد.

با توجه به نمودار فوق، با افزایش درصد تخلخل کل در سنگ، مقاومت فشاری تک محوره در سنگ نیز روند کاهشی خواهد داشت.

رطوبت سنگ

با افزایش میزان رطوبت سنگ تا یک میزان مشخص، مقاومت سنگ نیز کاهش پیدا خواهد کرد. میزان این کاهش رطوبت در سنگ‌‌های ساختمانی مختلف، متفاوت است.

به دلیل نقش رطوبت، جهت انجام آزمایش مقاومت تک محوری، نمونه‌‌ها در دو حالت خشک و تر مورد آزمایش قرار می‌‌گیرند تا تاثیر رطوبت در اختلاف نتایج آزمایش‌‌ها مشخص شود. رابطه‌‌ی مذکور، در نمودار 3 نشان داده شده است.

ابعاد نمونه

تحقیقات متعددی در زمینه‌‌ی تاثیر ابعاد نمونه بر مقاومت فشاری تک محوره سنگ انجام شده است. بر اساس استانداردهای مرسوم مانند ASTM، عموماً از یک سنگ ساختمانی نمونه‌‌های مکعبی شکل و یا استوانه‌‌ای شکل برای انجام آزمایش تهیه می‌‌شود.

بطور مثال، تحقیقات حسینی (1385) نشان می‌‌می‌‌دهد که هرچه نسبت قطر یا ضخامت نمونه به طول آن بیشتر شود، مقاومت سنگ نیز افزایش خواهد یافت. در جدول زیر، نتایج این آزمایش بر روی سه نوع سنگ دولومیت، آهک و ماسه‌‌سنگ ارائه شده است.

 

سرعت اعمال نیرو

بطور کلی هرچه سرعت اعمال نیرو به یک سنگ بیشتر باشد، سنگ مقاومت بیشتری نشان خواهد داد. به عبارت دیگر، اگر به یک سنگ ساختمانی خاص، نیروی مشخصی در یک بازه‌‌ی زمانی کوتاه اعمال شود، سنگ مقاومت بیشتری نشان خواهد داد نسبت به موقعیتی که در آن نیرو در بازه‌‌ی زمانی بیشتر اعمال شود.

یعنی سنگ در مواجهه با اعمال نیروهای آنی، بیشتر مقاومت می‌‌کند. به همین علت در استانداردهای مختلف، حد معینی را برای آهنگ بارگذاری به نمونه انتخاب می‌‌کنند.

شاخص بار نقطه‌‌ای

یکی از آزمایش‌‌های ساده و سریعی که در جهت تخمین مقاومت فشاری تک محوره انجام می‌‌شود، آزمایش بار نقطه‌‌ای است. این آزمایش بطور مرسوم در آزمایشگاه‌‌های مکانیک سنگ انجام می‌‌شود.

اگرچه روش اجرای این آزمایش آسان است، اما به دلیل تاثیر مولفه‌‌هایی چون تخلخل و دانسیته، تخمین مقاومت فشاری تک محوره گاهی دقیق نیست. در نمودارها زیر رابطه‌‌ی مقاومت فشاری تک محوره با شاخص بار نقطه‌‌ای برای بازه‌‌های مشخصی از تخلخل نشان داده شده است.

کاربرد مقاومت فشاری یک محوره

باید عنوان کرد، میزان مناسب مقاومت فشاری مورد نیاز در ساختمان‌‌هایی که سنگ ساختمانی در آن‌‌ها مورد استفاده قرار می‌‌گیرد، حدود 35 مگاپاسکال ( تقریبا معادل 357 کیلوگرم بر سانتی‌‌متر) است که این میزان توسط بیشتر سنگ‌‌های ساختمانی تامین می‌‌شود (Bell, 2004).

به عبارت دیگر، اگر نیروی وارد بر یک سانتی‌‌متر مربع از سنگ، از 357 کیلوگرم بیشتر شود، سنگ دچار ترک‌‌خوردگی و سپس گسیختگی می‌‌شود. برای مثال مقاومت فشاری تک محوره سنگ مرمریت شایان که در گروه سنگ‌‌های کربناته طبقه‌‌بندی می‌‌شود، حدود  64 مگاپاسکال می‌‌باشد که سنگ نسبتاً مقاومی محسوب می‌‌شود. در جدول زیر، بازه‌‌ی مقاومت فشاری سنگ‌‌ها ارائه شده است.

در محل‌‌هایی مانند: کف ساختمان‌‌ها و پارکینگ‌‌ها، سنگ‌‌ها هم متاثر از مقاومت فشاری هستند و هم مقاومت خمشی. به عبارت دیگر، با همکاری این دو پارامتر، سنگ‌‌ها در اثر نیروهای وارده خرد نمی‌‌شوند. هم‌‌چنین در محل‌‌هایی که تعداد زیادی از بلوک‌‌های یا قطعات سنگی روی هم چیده می‌‌شوند، چنانچه میزان وزن روباره از حد مقاومت سنگ بیشتر شود، سنگ ترک برداشته و نهایتاً گسیخته می‌‌شود.