بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی سنگ ساختمانی

در این مقاله قصد داریم، بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی سنگ ساختمانی را بررسی می کنیم. تا انتهای مقاله با ما همراه باشید.

جرم مخصوص سنگ چیست؟

درباره وزن خاص یک سنگ صحبت کنیم. این موضوع مثل مقایسه وزن یک سنگ با وزن آب است یا می‌توانید بگویید که این موضوع معادل وزن سنگ به وزن آب است. این وزن خاص به عواملی مانند شکاف‌ها، راهروها و بازیافت‌ها داخل سنگ وابسته است. با افزایش عمق سنگ فشرده‌تر می‌شود و شکاف‌ها و بازیافت‌های آن فشرده می‌شوند و سنگ چگال‌تر می‌شود. حالا چون جرم مخصوص به مقاومت سنگ مرتبط است، وقتی ما از ابزارهای برش در فرآیند برش سنگ استفاده می‌کنیم، برش سنگ چگال‌تر و فشرده‌تر دشوارتر است. به اصطلاح ساده هر چه سنگ چگال‌تر و سنگین‌تر باشد، برش آن دشوارتر است.

بافت سنگ چیست؟

بافت سنگ یکی از مهمترین چیزها در مورد سنگها مخصوصاً وقتی می‌خواهیم آنها را ببریم، اهمیت دارد. این بخش در مورد انتخاب ماشین‌آلات برش و پیش‌بینی نحوه عملکرد آنها بسیار مهم است. از جمله مشخصات مهم در این بافت می‌توان به اندازه و شکل دانه‌ها، جهت‌یافتگی، نسبت دانه‌ها و ماتریس سنگ اشاره کرد.

به ویژه اندازه دانه‌ها مهم است چون ترک‌ها و شکاف‌ها به واسطه اندازه دانه‌ها رشد می‌کنند. اگر دانه‌ها بزرگ باشند، تراشه‌های ثانویه تشکیل شده نیز بزرگ‌تر خواهند بود.

دانه‌های گوشه‌دار می‌توانند سرعت برش را کاهش دهند و سنگ را سایندگی‌پذیرتر کنند. ضریب بافت هم یک پارامتر مهم است که در مورد سنگها به کار می‌رود. که به واسطه هاوارد و رولند1 در سال 1986 ارائه شده است.  این ضریب تأثیر زیادی روی نرخ برش و سایش سنگ‌ها دارد. به طور کلی اگر ضریب بافت بالا باشد، سرعت برش کمتر می‌شود و سنگها سخت‌تر برش می‌خورند. به طوری که بعد از آن بیشتر محققان از این فاکتور برای ارتباط مشخصات سنگ و مهندسی سنگ استفاده کردند، که سنگ چقدر چگال و متراکم است. وقتی سنگ چگال‌تر می‌شود، وقتی می‌خواهیم سنگ را ببریم یا برش دهیم، دشوارتر می‌شود. این ضریب بافت برای ما می‌گوید که چقدر سختی داریم وقتی سنگ را برش می‌دهیم.

همچنین اگر دانه‌ها درون سنگ به هم چسبیده باشند، مواد کناری به سنگ چسبیده و یک لایه اضافی به سطح سنگ اضافه می‌شود. وقتی این اتفاق می‌افتد، سرعت برش هم کمتر می‌شود و برش دادن سنگ دشوارتر می‌شود.

تخلخل سنگ چیست؟

یکی از چیزهایی که درباره سنگها باید بدانیم، تخلخل آنها است. سنگ‌ها کاملاً صاف و توپر نیستند. معمولاً دارای شکاف‌ها و حفره‌هایی هستند. این حفره‌ها نقش مهمی در ویژگی‌های مکانیکی و مهندسی سنگ ایفا می‌کنند و همچنین بر تشکیل ترک‌های جانبی و ترک‌های شعاعی تأثیر می‌گذارند. به طور کلی وجود تخلخل و شکاف‌ها در سنگ‌ها به عنوان عیوب و ترک‌های اولیه عمل می‌کنند. هر چه این تخلخل و شکاف‌ها بیشتر باشند، تراشه‌های ثانویه به راحتی تشکیل می‌شوند.

مقاومت فشاری سنگ چیست؟

مقاومت فشاری یعنی اینکه سنگ چقدر می‌تواند تحت فشار و تنش های مختلف بایستد و شکست نشود. مقاومت سنگ در مقابل نیروهای استاتیک (فشاری) و دینامیک (حرکتی) مورد سنجش قرار می‌گیرد. وقتی مقاومت سنگ بیشتر باشد، تشکیل تراشه‌های ثانویه سخت‌تر می‌شود و نیاز به نیروهای برشی بیشتری برای تشکیل تراشه‌ها داریم. از مهم‌ترین ویژگی‌های سنگ‌ها، مقاومت فشاری به عنوان ویژگی اصلی و کاربردی آنها مطرح می‌شود.

مقاومت کششی سنگ چیست؟

مقاومت کششی سنگ به میزانی اشاره دارد که یک سنگ تحت تنش کششی می‌تواند تحمل کند. به عبارت ساده‌تر این ویژگی نشان‌دهنده حداکثر نیروی کششی است که سنگ می‌تواند تحمل کند. هر چه این ویژگی بیشتر باشد، قدرت سنگ در مقابل نیروهای کششی بیشتر خواهد بود. افزایش پارامترهای مقاومتی سنگ ممکن است منجر به کاهش قابلیت برش سنگ شود.

سختی سنگ چیست؟

سختی سنگ به مقاومتی اطلاق می‌شود که یک سنگ یا کانی نسبت به ابزار خراشدهنده (ساینده) دارد تا زمانی که خراش (سایش) در سطح آن ایجاد نشود. برای تعیین سختی، ابزار خراشدهنده با سنگ تماس می‌گیرد و تلاش می‌کند با حرکت خود نیروهایی را ایجاد کند که منجر به سایش سنگ می‌شوند. ارتباط میان اجسام خراشدهنده و خراشپذیر نیاز به تحلیل مقاومت سنگ دارد.

سنگ‌ها و کانی‌ها در مقابل تمامی ابزارهای خراش‌دهنده به یکسان مقاومت ندارند و به دو دسته سختی استاتیکی (سختی در برابر خراش) و سختی دینامیکی (سختی در برابر ضربه) تقسیم می‌شوند. این دو نوع سختی، با یکدیگر تفاوت دارند.

سایندگی سنگ چیست؟

سایندگی یک ویژگی از سنگ است که در فرایند برش نقش اساسی ایفا می‌کند. سنگ با این خاصیت قادر است سگمنت‌هایی از جنس فولاد، کربید تنگستن، یا الماس را از بین ببرد. سایندگی سنگ به مواردی مانند سختی کانی‌ها، شکل و اندازه دانه‌ها، قفل شدگی دانه‌ها و ساختار ماتریس سنگ وابسته است.

دانه‌های با گوشه‌های تیز و برشی تر در مقایسه با دانه‌های گرد سایش بیشتری ایجاد می‌کنند. همچنین این دانه‌ها می‌توانند بر روی ابزارهای برش خراش‌های عمیقی ایجاد کرده و از خرد شدن سنگ تحت تأثیر انرژی منتقل شده از سگمنت جلوگیری نمایند. به علاوه ذرات ریز و گرد موجود در سنگ می‌توانند سگمنت و دیسک برش را صاف و صیقل دهند.

چرا سایندگی در سنگ مهم است؟

سایندگی در سنگ‌های طبیعی عمدتاً به سه عامل وابسته است: میزان کوارتز موجود در سنگ، اندازه دانه‌ها و مقاومت برشی سنگ‌ها. از این سه عامل میزان سیلیس یا کوارتز بسیار حائز اهمیت است. می‌توان با بررسی میزان سیلیس در سنگ، خاصیت سایندگی سنگ‌ها را تشخیص داد.

خواص الاستیک و پلاستیک سنگ‌های طبیعی

ویژگی‌های تغییر شکل، نحوه شکست، و نوع شکست سنگ‌ها به خواص الاستیک و پلاستیک آنها وابسته است. سنگ‌ها بر اساس نحوه تغییر شکلی که در اثر تنش‌های ایجاد شده توسط بارهای استاتیک روی آنها تجربه می‌کنند، به سه گروه قابل تفکیک تقسیم می‌شوند:

سنگ‌های الاستیک ترد: این نوع سنگ‌ها از قانون هوک پیروی می‌کنند و توانایی تغییر شکل الاستیک را دارند.

سنگ‌های پلاستیک ترد: این سنگ‌ها قبل از شکستن، تغییر شکل پلاستیکی نشان می‌دهند.

سنگ‌های فوق العاده پلاستیک: این نوع سنگ‌ها بسیار متخلخل هستند و تغییر شکل الاستیک خاصی ندارند. بیشتر کانی‌های موجود در سنگ‌ها رفتار الاستیک ترد دارند و از قانون هوک پیروی می‌کنند. خواص الاستیک سنگ‌ها توسط مدول الاستیک تعیین می‌شود.

بعضی از محققین وقتی در مورد سنگها صحبت می‌کنند، از یک چیز به نام “مدول الاستیک” و همچنین شاخص‌های تردی سنگ استفاده می‌کنند تا بفهمند چقدر سنگها قوی یا ضعیف هستند. تحقیقات نشان می‌دهد که وقتی مدول الاستیک و شاخص‌های تردی سنگ بیشتر باشند، سنگها سخت‌تر برای برش می‌شوند و کمتر قابل برش هستند.

مشخصات ساختاري و محیطی سنگ

ویژگی‌های ساختاری سنگ‌ها تحت تأثیر عوامل طبیعی مثل لایه‌بندی، درزه‌ها، ترک‌ها، و سایر شکاف‌ها قرار دارند. این عوامل می‌توانند شرایط مناسبی را برای اثرگذاری عوامل هوازدگی و یخبندان ایجاد کنند. می‌توان از مشخصات ساختاری سنگ به مواردی مانند درزه‌ها، ترک‌ها، تراکم کانی‌ها، و جهت‌یافتگی کانی‌ها در سنگ اشاره کرد.

به طور کلی عوامل محیطی شامل هوازدگی و وجود درزه و ترک‌ها در سنگ می‌توانند منجر به کاهش ویژگی‌های مقاومتی سنگ شوند، که از نتیجه آن، قابلیت برش سنگ افزایش پیدا می‌کند. به عبارت دیگر، با افزایش تعداد و اندازه درزه و ترک‌ها در سنگ، قدرت سگمنت در مقابل نیروی برش افزایش می‌یابد و نتیجتاً نرخ برش افزایش می‌یابد.

یکی از ویژگی‌های ساختاری دیگر سنگ میزان تراکم کانی‌ها و جهت‌یافتگی آنها در سنگ است. به طور کلی اگر تعداد کانی‌ها با سطح کلیواژ مشخص در یک بلوک سنگی بیشتر باشد، برش سنگ آسان‌تر می‌شود. از طرفی افزایش درزه و ترک‌ها می‌تواند منجر به مشکلات در برش افقی توسط ماشین‌های برش اره زنجیری شود.