ارزیابی تغییرات سرعت موج برشی و چگالی خشک سنگ شیست تحت تأثیر هوازدگی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 بخش مهندسی معدن، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران

2 گروه مکانیک سنگ، دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

3 استادیار گروه مهندسی معدن، دانشکده مهندسی، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران

چکیده

چرخه‌های انجماد-ذوب یک هوازدگی طبیعی جدی برای پروژه‌های مهندسی سنگ و سازه‌های ساخته شده بر روی سنگ‌ها در مناطق کوهستانی می‌باشد. لذا ارزیابی کاهش پارامترهای ژئومکانیکی سنگ در اثر چرخه‌های انجماد-ذوب در این مناطق بسیار حیاتی است. در این تحقیق سرعت موج برشی و چگالی خشک نمونه‌های سنگ شیست بکر و هوازده (چرخه‌های انجماد-ذوب 7، 15، 40 و 75) دیواره معدن انگوران اندازه‌گیری شده است. در هر چرخه هوازدگی 5 نمونه مورد آزمایش قرارگرفته و محاسبات بر مبنای میانگین آن‌ها صورت گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که با افزایش تعداد چرخه‌های هوازدگی، مقدار سرعت موج برشی و چگالی خشک نمونه‌ها به صورت نمایی کاهش می‌یابد بطوریکه چرخه‌های اولیه انجماد-ذوب تأثیر کمتری بر روی خواص سنگ داشته است. با برازش نتایج، روابطی تجربی جهت محاسبه سرعت موج برشی و چگالی خشک سنگ شیست به ازای چرخه‌های مختلف انجماد-ذوب در این تحقیق استخراج و پیشنهاد شده است. همچنین، بافت نمونه‌ها در حالت بکر و پس از 75 چرخه انجماد-ذوب به‌وسیله میکروسکوپ الکترونیکی مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج مطالعه میکروسکوپی نشان‌دهنده متراکم بودن بافت نمونه‌ها در حالت بکر می‌باشد. همچنین پس از اعمال 75 چرخه انجماد-ذوب، فاصله بین ناپیوستگی‌ها افزایش یافته و ترک‌های جدیدی در بدنه نمونه‌ها ایجاد شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluating the variations of shear wave velocity and dry density of schist rock under the weathering effect

نویسندگان [English]

  • Seyed Zanyar Seyed Mousavi 1
  • Hossein Tavakoli 1
  • Parviz Moarefvand 2
  • Mohammad Rezaei 3
1 Department of Mining Engineering, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
2 Department of Mining and Metallurgical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
3 Asistant Professor, Department of mining engineering, Faculty of engineering, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran
چکیده [English]

Freezing-melting cycles are a serious natural weathering for rock engineering projects and constructed structures on the rocks in mountainous regions. So evaluation of the rock geo mechanical parameters reduction due to freezing-thawing cycles is very crucial in these areas. In this study, shear wave velocity and dry density of intact and weathered schist samples (under freezing-thawing cycles of 7, 15, 25, 40 and 75) of the Angouran mine wall were measured. For each weathering cycle, 5 samples have been tested and calculations were made based on their average values. Results showed that by increasing the number of weathering cycles, the shear wave velocity and dry density values of samples are exponentially decreased while the initial cycles of freezing-thawing have the less effect on rock properties. By analyzing the obtained results, an experimental equation was extracted and proposed to calculate shear wave velocity and dry density in schist against the different cycles of freezing-thawing. Also, the texture of samples in intact status and after 75 cycles of freezing-thawing was studied by an electronic microscope. The results of microscopic study indicate that the texture of intact samples is denser than those of the weathered status. Also, after applying 75 cycles of freezing-thawing, the spacing between discontinuities has been increased and new cracks created in the samples body.

کلیدواژه‌ها [English]

  • "Angouran mine"
  • "Schist rock"
  • Dry density"
  • "Shear wave velocity"
  • "Freezing-thawing process"
باباخانی، ا.، 1369. گزارش زمین شناسی معدن انگوران، شرکت توسعه معادن روی ایران.

فهیمی­فر، ا.، سروش، ح.، 1380. آزمایش­های مکانیک سنگ، مبانی نظری و استانداردها. جلد اول: آزمون­های آزمایشگاهی، آزمایشگاه فنی و مکانیک خاک، چاپ اول، تهران، 719 ص.

قبادی، م.، بابازاده، ر.، اسفندیاری، م.، 1392. پیش­بینی دوام طولانی مدت ماسه سنگ­های سازند قرمز بالایی در مقابل پدیده ذوب-انجماد و هوازدگی نمک با استفاده از مدل تابع تخریب، مجله انجمن زمین­شناسی مهندسی ایران، جلد هفتم، شماره 3 و 4، 70-57.

قبادی، م.، طالب بیدختی، ع.، نیکودل، م.، 1394، اثر فرآیند ذوب و انجماد بر روی شاخص دوام وارفتگی و مقاومت کششی بریزیلی توف­های سازند کرج، مجله انجمن زمین­شناسی مهندسی ایران، جلد هشتم، شماره 1 و 2، 50-35.

کوشا معدن، 1391. گزارش زمین شناسی معدن انگوران، شرکت مهندسین مشاور کوشا معدن.

Bayram, F., 2012. Predicting mechanical strength loss of natural stones after freeze–thaw in cold regions, Cold Regions Science and Technology, 83: 98-102.

Chen, J., Xu, Z., Yu, Y., Yao, Y., 2014. Experimental characterization of granite damage using nonlinear ultrasonic techniques, NDT & E International, 67: 10-16.

Chen, T.C., Yeung, M.R., Mori, N., 2004. Effect of water saturation on deterioration of welded tuff due to freeze-thaw action, Cold Regions Science and Technology, 38(2-3): 127-136.

Darot, M., Reuschlé, T., 2000. Acoustic wave velocity and permeability evolution during pressure cycles on a thermally cracked granite, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 37(7): 1019-1026.

Ding, Q.L., Song, S.B., 2016. Experimental investigation of the relationship between the P-wave velocity and the mechanical properties of damaged sandstone, Adv. Mater. Sci. Eng. 10 pages, http://dx.doi.org/10.1155/2016/7654234.

Dreesen, R., Dusar, M., 2004. Historical building stones in the province of Limburg (NE Belgium): role of petrography in provenance and durability assessment, Materials Characterization, 53(2-4): 273-287.

Ghobadi, M.H., Babazadeh, R. 2015. Experimental studies on the effects of cyclic freezing–thawing, salt crystallization, and thermal shock on the physical and mechanical characteristics of selected sandstones, Rock Mechanics and Rock Engineering, 48(3): 1001-1016.

Hori, M., Morihiro, H., 1998. Micromechanical analysis on deterioration due to freezing and thawing in porous brittle materials, International Journal of Engineering Science, 36(4): 511-522.

Iñigo, A.C., García-Talegón, J., Vicente-Tavera, S., Martín-González, S., Casado-Marín, S., Vargas-Muñoz, M., Pérez-Rodríguez, J.L., 2013. Colour and ultrasound propagation speed changes by different ageing of freezing/thawing and cooling/heating in granitic materials, Cold Regions Science and Technology, 85: 71-78.

Iñigo, A.C., Vicente, M.A., Rives, V., 2000. Weathering and decay of granitic rocks: its relation to their pore network, Mechanics of Materials, 32(9): 555-560.

 ISRM., 1981. Rock characterization testing and monitoring. In: Brown ET (ed) ISRM suggested methods, Pergamon Press, Oxford.

Jamshidi A, Nikudel M.R, Khamehchiyan M., 2016. Evaluation of the durability of Gerdoee travertine after freeze–thaw cycles in fresh water and sodium sulfate solution by decay function models, Engineering Geology, 202: 36–43

Jiang, N., Zhou, C., Luo, X., Lu, S., 2015. Damage characteristics of surrounding rock subjected to VCR mining blasting shock, Shock Vib. Article ID 373021, 8 pages, http://dx.doi.org/10.1155/2015/373021.

Karaca, Z., Deliormanli, A.H., Elci, H., Pamukcu, C., 2010. Effect of freeze–thaw process on the abrasion loss value of stones, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 7(47): 1207-1211.

Karakurt, C., Bayazıt, Y., 2015. Freeze-thaw resistance of normal and high strength concretes produced with fly ash and silica fume, Adv. Mater. Sci. Eng. Article ID 830984, 8 pages, http://dx.doi.org/10.1155/2015/830984.

Lai, Y., Zhang, S., Yu, W., 2012. A new structure to control frost boiling and frost heave of embankments in cold regions, Cold Regions Science and Technology, 79: 53-66.

Lee, J. S., Yoon, H.K., 2014. Porosity estimation based on seismic wave velocity at shallow depths, Journal of Applied Geophysics, 105: 185-190.

Lee, J.S., Yoon, H.K., 2015. Theoretical relationship between elastic wave velocity and electrical resistivity, J Appl Geophys. Journal of Applied Geophysics, 116: 51-61.

Luo, X.D., Jiang, N., Fan, X.Y., Mei, N.F., Luo, H., 2015. Effects of freeze–thaw on the determination and application of parameters of slope rock mass in cold regions, Cold Regions Science and Technology, 110: 32–37.

Ma, J., Zhao, G., Dong, L., Chen, G., Zhang, C., 2015. A comparison of mine seismic discriminators based on features of source parameters to waveform characteristics, Shock Vib. Article ID 919143, 10 pages, http://dx.doi.org/10.1155/2015/919143.

Malaga-Starzec, K., Åkesson, U., Lindqvist, J.E., Schouenborg, B., 2006. Microscopic and macroscopic characterization of the porosity of marble as a function of temperature and impregnation, Construction and Building Materials, 20(10): 939-947.

Molero, M., Aparicio, S., Al-Assadi, G., Casati, M.J., Hernández, M.G., Anaya, J.J., 2012. Evaluation of freeze–thaw damage in concrete by ultrasonic imaging, NDT & E International, 52: 86-94.

Moreno de Jong van Coevorden, C., Cobos Sánchez, C., Rubio Bretones, A., Fernández Pantoja, M., García, S.G., Gómez Martín, R., 2012. Nondestructive evaluation of the preservation state of stone columns in the Hospital Real of Granada, Nondestructive Testing and Evaluation, 27(4): 335-351.

Ozcelik, Y., Careddu, N., Yilmazkaya, E., 2012. The effects of freeze–thaw cycles on the gloss values of polished stone surfaces, Cold Reg Sci Technol. Cold Regions Science and Technology, 82: 49-55.

Özgan, E., Serin, S., Ertürk, S., Vural, I., 2015. Effects of freezing and thawing cycles on the engineering properties of soils, Soil Mechanics and Foundation Engineering, 52(2): 95-99.

Ruedrich, J., Kirchner, D., Siegesmund, S., 2011. Physical weathering of building stones induced by freeze–thaw action: a laboratory long-term study, Environmental Earth Sciences, 63(7-8): 1573-1586.

Ruedrich, J., Siegesmund, S., 2007. Salt and ice crystallisation in porous sandstones, Environmental Geology, 52(2): 225-249.

Saad, A., Guédon, S., Martineau, F., 2010. Microstructural weathering of sedimentary rocks by freeze–thaw cycles: experimental study of state and transfer parameters, Comptes Rendus Geoscience, 342(3): 197-203.

Shen, S., Xia, C., Huang, J., Li, Y., 2015. Influence of seasonal melt layer depth on the stability of surrounding rock in permafrost regions based on the measurement, Natural Hazards, 75(3): 2545-2557.

Shojaei Baghini, M., Ismail, A., 2015. Freeze-thaw performance and moisture-induced damage resistance of base course stabilized with slow setting bitumen emulsion-Portland cement additives, Adv. Mater. Sci. Eng. Article ID 348691, 10 pages, http://dx.doi.org/10.1155/2015/348691.

Siegesmund, S., Ullemeyer, K., Weiss, T., Tschegg, E.K., 2000. Physical weathering of marbles caused by anisotropic thermal expansion, International Journal of Earth Sciences, 89(1): 170-182.

Sousa, L.M., Del Río, L. M.S., Calleja, L., de Argandona, V.G.R., Rey, A.R., 2005. Influence of microfractures and porosity on the physico-mechanical properties and weathering of ornamental granites, Engineering Geology, 77(1-2): 153-168.

Takarli, M., Prince, W., Siddique, R., 2008. Damage in granite under heating/cooling cycles and water freeze–thaw condition, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 45(7): 1164-1175.

Tan, X., Chen, W., Yang, J., Cao, J., 2011. Laboratory investigations on the mechanical properties degradation of granite under freeze–thaw cycles, Cold Regions Science and Technology, 68(3): 130-138.

Wang, P., Xu, J., Fang, X., Wang, P., Zheng, G., Wen, M., 2017. Ultrasonic time-frequency method to evaluate the deterioration properties of rock suffered from freeze-thaw weathering, Cold Regions Science and Technology, 143, 13-22.

Yavuz, A.B., Topal, T., 2007. Thermal and salt crystallization effects on marble deterioration: examples from Western Anatolia, Turkey, Engineering Geology, 90(1-2): 30-40.

Yavuz, H., Altindag, R., Sarac, S., Ugur, I., Sengun, N., 2006. Estimating the index properties of deteriorated carbonate rocks due to freeze–thaw and thermal shock weathering, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 43(5): 767-775.