بررسی آزمایشگاهی اثر تعداد سیکل های گرم شدن- سردشدن سنگ بر روی چقرمگی شکست حالت I

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی معدن، دانشگاه بین المللی امام خمینی )ره(، قزوین، ایران

چکیده

در سنگ‌ها ترک‌های ریزی وجود دارد، هنگامی که سنگ‌ها تحت بارگذاری قرار می‌گیرند تنشها در نوک ترک‌ها متمرکز شده و باعث گسیخته شدن سنگ قبل از رسیدن به مقاومت نهایی آن می‌شود. به مقدار بحرانی ضریب شدت تنش در نوک ترک، چقرمگی شکست گفته می‌شود. مقاومت کششی سنگ‌ها ضعیف است به همین دلیل، حالت I )حالت کششی( بحرانی‌ترین حالت بارگذاری است. در برخی مواقع سنگ‌ها به طور مداوم گرم شدن- سرد شدن را تجربه می‌کنند. از این رو تعیین اثر تعداد سیکل های گرم شدن-سرد شدن بر روی چقرمگی شکست حالت I که هدف این تحقیق است لازم و ضروری است. برای رسیدن به این هدف بر روی نمونه‌های نیم دایرهای سه نوع سنگ طبیعی شامل ماسه سنگ، سنگ آهک و آندزیت و همچنین نمونه های بتنی آزمایش خمش سه نقطه‌ای برای تعیین چقرمگی شکست حالت I انجام گرفته است. برای شناخت ترکیب سنگ‌ها مطالعات سنگ شناسی و تحلیل پراش اشعه ایکس( XRD ) نیز انجام شده است. نمونه‌ها 1، 5 و 10 سیکل تا 700 درجه سانتیگراد گرم و سپس سرد شده‌اند. بر روی نمونه‌ها در دمای محیط) 25 درجه سانتیگراد(، یک سری آزمایش نیز انجام شده است. سرعت افزایش دما برای نمونه‌ها در کوره الکتریکی، 15 درجه سانتیگراد بر دقیقه و متناسب با افزایش دما در فرآیند آتش سوزی در نظر گرفته شده است. چقرمگی شکست برای نمونه سنگ آندزیت، ماسه سنگ و سنگ آهک تحت شرایط سیکلی کاهش می‌یابد. به این صورت که، بعد از اعمال سیکل‌های گرم شدن و سرد شدن، میکروترک‌ها در نمونه سنگ‌ها گسترش می‌یابد که این باعث افزایش تخلخل مؤثر و کاهش سرعت امواج P در نمونه سنگ‌ها می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

The Experimental Investigation of the Effect of Heating-Cooling Cycle Number of Rock on Mode I Fracture Toughness

نویسندگان [English]

  • A. Jabbari
  • M. Hosseini
Department of Mining Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran
چکیده [English]

There are small cracks in rocks; therefore, when rocks undergo loading, stresses are concentrated at the tip of cracks causing rock fracture before reaching its ultimate strength. The critical value of the stress intensity factor at the crack tip is called fracture toughness. The tensile strength of rocks is weak; therefore, Mode I (tensile mode) is the most critical loading mode. In some cases, rocks continuously experience heating-cooling. Therefore, it is necessary to determine the effect of heating-cooling cycle number on mode I fracture toughness, which is the objective of this research. To achieve this objective, we conducted three-point bending test on semi-circular specimens of three types of natural rock including sandstone, limestone and andesite to determine the mode I fracture toughness. A series of concrete specimen was also tested for further investigation. Petrography and X-ray diffraction analysis (XRD) were conducted to understand the rock composition. The specimens were heated up to 700° C in 1, 5 and 10 cycles and then cooled. A series of experiments were also conducted on the specimens at room temperature (25°C). According to the rising of temperature in firing process, the rate of temperature rise for specimens in the electric furnace is determined to be 15 ° C per minute. Fracture toughness of andesite rock, sandstone and limestone specimens decreases under cyclic conditions. Results indicate the generation and expansion of micro fractures in some rocks after undergoing cycles of heating-cooling, which causing an increase in the effective porosity and decrease in the P-wave velocity in rocks.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fracture Toughness
  • Mode I
  • Temperature
  • Three-point Bending
  • Heating-cooling Cyclic

مراجع

[1] O. Stephansson, Recent rock fracture mechanics developments, in: 1st Iranian rock mechanics conference, 2002, pp. 675-698.
[2] D. Brock, Elementary Engineering Fracture Mechanics, Kluwer Academic pub, 1989.
[3] J. Hudson, J. Harrison, Engineering rock mechanics.
An introduction to the principles. Imperial College of Science, Technology and Medicine, University of London, UK, in, Pergamon. Elsevier Science Ltd, 1997.
[4] L. Barker, A simplified method for measuring plane strain fracture toughness, Engineering Fracture Mechanics, 9(2) (1977) 361-369.
[5] K. Matsuki, S. Hasibuan, H. Takahashi, Specimen size requirements for determining the inherent fracture toughness of rocks according to the ISRM suggested methods, in: International journal of rock mechanics and mining sciences & geomechanics abstracts, Elsevier, 1991, pp. 365-374.
[6] F. Ouchterlony, Suggested methods for determining the fracture toughness of rock, International Journal of Rock Mechanics and Mining & Geomechanics Abstracts, 25(2) (1988).
[7] D.K. Sheity, A.R. Rosenfield, W.H. Duckworth, Fracture toughness of ceramics measured by a chevron-notch diametral-compression test, Journal of the American Ceramic Society, 68(12) (1985) C-325-C-327.
[8] R. Fowell, J. Hudson, C. Xu, X. Zhao, 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 and Geomechanics Abstracts, 1995, pp. 322A.
[9] F. Ouchterlony, On the background to the formulae and accuracy of rock fracture toughness measurements using ISRM standard core specimens, in: International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, Elsevier, 1989, pp. 13-23.
[10] I. Lim, I. Johnston, S. Choi, J. Boland, 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, Elsevier, 1994, pp. 185-197.
[11] M. Kuruppu, Y. Obara, M. Ayatollahi, K. Chong, T. Funatsu, ISRM-suggested method for determining the mode I static fracture toughness using semi-circular bend specimen, in: The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 2007-2014, Springer, 2013, pp. 107-114.
[12] P. Meredith, B. Atkinson, 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.
[13] K. Kim, J. Kemeny, M. Nickerson, Effect of rapid thermal cooling on mechanical rock properties, Rock mechanics and rock engineering, 47(6) (2014) 2005-2019.
[14] R. Ulusay, J.A. Hudson, The complete ISRM suggested methods for rock characterization, testing and monitoring’: 1974-2006, Compilation arranged by the ISRM Turkish National Group, Ankara, Turkey, 2007.
[15] V.R. Mohtadi, A.R. Mohtadi , The results of ultrasonic testing on the concrete structure damaged in a fire accident, Sadaf Commercial Complex, Qeshm, Civil Journal, Retrofitting and Improvement,, (31) (2015) 79-83.
[16] Z. Zhao, Thermal influence on mechanical properties of granite: a microcracking perspective, Rock Mechanics and Rock Engineering, 49(3) (2016) 747-762.
[17] D. Jansen, S. Carlson, R. Young, D. Hutchins, Ultrasonic imaging and acoustic emission monitoring of thermally induced microcracks in Lac du Bonnet granite, Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 98(B12) (1993) 22231-22243.
[18] Z. Zomeni, Thermally induced microfracturing in quartzite, Masters of Science dissertation, Mining and Geological Engineering, the University of Arizona, Tucson, 199 (1997).
نشریه مهندسی عمران امیرکبیر
دوره 50، شماره 4
مهر و آبان 1397
صفحه 793-800

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار