زمین شناسی مهندسی

زمین شناسی مهندسی

اثر فرآیند گرم شدن سرد شدن روی چقرمگی شکست مود I سنگ‌ها

نویسندگان
دانشگاه بین المللی امام خمینی(ره)، گروه مهندسی معدن
چکیده
در مواردی از قبیل انفجار، آتش­سوزی و حفاری­های عمیق، سنگ‌ها تحت حرارت چشم‌گیری قرار می­گیرد. از این‌رو اثر درجه حرارت بر چقرمگی شکست مود I که هدف این تحقیق است ضروری به‌نظر می­رسد. برای رسیدن به این هدف روی نمونه‌های نیم‌دایره­ای چهار نوع سنگ طبیعی شامل ماسه­سنگ، سنگ­آهک، توف، آندزیت و یک سری نمونه­های بتنی آزمایش خمش سه­نقطه­ای برای تعیین چقرمگی شکست مود I انجام شده است. آزمایش­ها، روی نمونه­هایی انجام شده است که ابتدا تا دمای 100، 200، 300، 500 و 700 درجۀ سانتی­گراد گرم و بعد از رسیدن به دماهای مورد نظر سرد شده­اند و یک سیکل گرم شدن و سرد شدن را تحمل کرده­اند. البته یک سری آزمایش روی نمونه­ها در دمای محیط(25 درجۀ سانتی­گراد) نیز انجام شده است. سرعت افزایش دما برای نمونه­ها در کوره الکتریکی، 15 درجۀ سانتی­گراد بر دقیقه و متناسب با افزایش دما در فرآیند آتش­سوزی در نظر گرفته شده است. برای شناخت ترکیب سنگ­ها مطالعات سنگ­شناسی و تحلیل پراش اشعه ایکس (XRD) انجام شه است. علاوه بر این، به­منظور بررسی رفتار سنگ مقدار تخلخل مؤثر و کاهش وزن نمونه‌های حرارت دیده نیز تعیین شده است. مقایسۀ نتایج آزمایش‌ها نشان داد که اثر دما بر چقرمگی شکست سنگ‌های ریزدانه بیش‌تر است. علاوه بر این، چقرمگی شکست با افزایش تخلخل مؤثر و کاهش افت وزن کاهش می‌یابد. نتایج آزمایشگاهی نشان می­دهد که مقدار چقرمگی شکست مود I نمونه‌های ماسه سنگ، توف، سنگ آهک، آندزیت و بتن که یک سیکل گرمایش (تا 700 درجه)- سرمایش را تحمل کرده‌اند در مقایسه با نمونه‌های حرارت ندیده به‌ترتیب 45، 17، 44 و 5/9 و 37 درصد کاهش یافته است.
کلیدواژه‌ها

1. Brace W. D., Bombolakis E. G., "A note on brittle crack growth in compression", Journal of Geophysical Research, 68(12) (1963) 3709-3713.## 10. Chang S. H., Lee, C. I., Jeon S., "Measurement of rock fracture toughness under modes I and II and mixed-mode conditions by using disc-type specimens", Engineering geology, 66(1) (2002) 79-97. ## 2. Rao Q., Sun Z., Stephansson O., Li C., Stillborg B., "Shear fracture (Mode II) of brittle rock", International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 40(3) (2003) 355-375. ## 3. Hudson John A., Harrison John P., "Engineering rock mechanics", Elsevier Ltd (1997). ## 4. Barker L. M., "A simplified method for measuring plane strain fracture toughness", Engineering Fracture Mechanics, 9(2) (1977) 361-369. ## 5. Ouchterlony F., "ISRM suggested methods for determining fracture toughness of rocks", Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech, Abstr. 25, (1988) 71-96. ## 6. Sheity D. K., Rosenfield A. R., Duckworth W. H., "Fracture toughness of ceramics measured by a chevron‐notch diametral‐compression test", Journal of the American Ceramic Society, 68 (12) (1985). ## 7. Fowell R. J., "January. Suggested method for determining mode I fracture toughness using cracked chevron notched Brazilian disc (CCNBD) specimens", In International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Vol. 32, No. 1, (1995) 57-64, Pergamon. ## 8. Lim I. L., Johnston I. W., Choi S. K., Boland J. N., June., "Fracture testing of a soft rock with semi-circular specimens under three-point bending. Part 1-mode I", In International journal of rock mechanics and mining sciences & geomechanics abstracts, Vol. 31, No. 3, (1994) 185-197, Pergamon. ## 9. Kuruppu M. D., Obara Y., Ayatollahi M. R., Chong K. P., Funatsu T., "ISRM-suggested method for determining the mode I static fracture toughness using semi-circular bend specimen", Rock Mech Rock Eng, 47 (2014) 267-274. ## 10. Meredith P. G., Atkinson B. K., "Stress corrosion and acoustic emission during tensile crack propagation in Whin Sill dolerite and other basic rocks", Geophysical Journal International, 75 (1) (1983) 1-21. ## 11. Al-Shayea N. A., Khan K., Abduljauwad S. N., "Effects of confining pressure and temperature on mixed-mode (I–II) fracture toughness of a limestone rock", International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 37 (4) (2000) 629-643. ## 12. Funatsu T., Seto M., Shimada H., Matsui K., Kuruppu M., "Combined effects of increasing temperature and confining pressure on the fracture toughness of clay bearing rocks", International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 41(6) (2004) 927-938. ## 13. Yin T., Li X., Xia K., Huang S., "Effect of Thermal Treatment on the Dynamic Fracture Toughness of Laurentian Granite", Rock Mech. And Rock Eng., 45 (6) (2012) 1087-1094. ## 14. Kim K., Kemeny J., Nickerson M., "Effect of rapid thermal cooling on mechanical rock properties", Rock Mechanics and Rock Engineering, 47(6) (2014) 2005-2019. ## 15. Mahanta B., Singh T. N., Ranjith P. G., "Influence of thermal treatment on mode I fracture toughness of certain Indian rocks", Engineering Geology, 210, (2016) 103-114. ## 16. Yao W., Xu Y., Liu H., Xia K., "Quantification of thermally induced damage and its effect on dynamic fracture toughness of two mortars", Engineering Fracture Mechanics, 169 (2017a) 74-88. ## 17. International Society for Rock Mechanics and Ulusay, R., "The complete ISRM suggested methods for rock characterization, testing and monitoring", 1974-2006. International Soc. for Rock Mechanics (2007). ## 18. Standard, A.S.T.M., 2010. D7012–10 (2010) "Standard test method for compressive strength and elastic moduli of intact rock core specimens under varying states of stress and temperatures", Annual Book of ASTM Standards, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, 495-498. ## 19. ASTM, D. 3967, "Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Intact Rock Core Specimens", ASTM International, West Conshohocken, PA(2008). ## 20. Mohtadi V. R, Mohtadi A. R., "The results of ultrasonic testing on the concrete structure damaged in a fire accident, Sadaf Commercial Complex, Qeshm", Civil Journal, Retrofitting and Improvement, No. 31, (2015) 79-83. ## 21. Zhao Z., "Thermal Influence on Mechanical Properties of Granite: A Microcracking Perspective", Rock Mechanics and Rock Engineering, 49(3) (2016) 747-762. ## 22. Balme M. R., Rocchi V., Jones C., Sammonds P. R., Meredith P. G., Boon S., "Fracture toughness measurements on igneous rocks using a high-pressure, high-temperature rock fracture mechanics cell", Journal of Volcanology and Geothermal Research, 132(2) (2004)159-172. ## 23. Dwivedi R. D., Goel R. K., Prasad V. V. R., Sinha A., "Thermo-mechanical properties of Indian and other granites", International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 45(3) (2008) 303-315. ## 24. Domanski M., Webb J., "A review of heat treatment research", Lithic technology, 32(2) (2007)153-194. ## 25. Yao W., Xu Y., Wang W., Kanopolous P., "Dependence of dynamic tensile strength of longyou sandstone on heat-treatment temperature and loading rate", Rock Mechanics and Rock Engineering, 49 (10) (2016) 3899-3915. ## 26. Yao W., Liu H. W., Xu Y., Xia K., Zhu J., "Thermal degradation of dynamic compressive strength for two mortars", Construction and Building Materials, 136 (2017b) 139-152. ## 27. Huang S., Xia K., "Effect of heat-treatment on the dynamic compressive strength of Longyou sandstone", Engineering Geology, 191 (2015) 1-7. ##