ارزیابی اثر چرخه انجماد و ذوب بر ویژگی‌های مقاومتی سنگ‌های متخلخل: مطالعه موردی سنگ تروارتن محلات

عطاپور, هادی; رفیعی, رضا

doi:10.22084/nfag.2022.25759.1509

ارزیابی اثر چرخه انجماد و ذوب بر ویژگی‌های مقاومتی سنگ‌های متخلخل: مطالعه موردی سنگ تروارتن محلات

نویسندگان

¹ استادیار گروه مهندسی ژئومکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران

² دانشجوی کارشناسی، گروه مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران

10.22084/nfag.2022.25759.1509

چکیده

دوام سنگ‌ها در مقابل شرایط آب و هوایی متغیری که همراه با آسیب به ساختار سنگ هستند، یکی از مهم‌ترین عوامل تعیین کننده برای انتخاب این سنگ‌ها جهت استفاده در نمای بیرونی ساختمان‌ها و سنگ‌فرش معابر عمومی می‌باشد. از این رو استفاده از سنگ‌ها به عنوان مصالح مهندسی و ساختمانی نیازمند بررسی مقاومت آنها در مقابل چرخه‌های مختلف گرم و سرد شدن، تر و خشک شدن و نیز انجماد و ذوب می‌باشد. با توجه به تنوع شرایط آب و هوایی در کشور ایران که دارای مناطق گرم و خشک، سردسیر و مناطق ساحلی است، چرخه‌ی انجماد و ذوب یکی از مهمترین عوامل محیطی است که می‎تواند موجب فرسایش و تغییر مشخصات فیزیکی و مکانیکی سنگ‌ها شده و در نتیجه ضمن کاهش دوام سنگ‌ها، کاربری مفید آنها را تحت الشعاع قرار می‎دهد. در مطالعه حاضر هدف اصلی ارزیابی تغییرات مشخصات مقاومتی نمونه‌های تراورتن در مقابل چرخه مهم انجماد و ذوب می‌باشد. در این راستا تغییرات مقاومت فشاری و کششی نمونه‌ها در طی 10 چرخه انجماد و ذوب مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که مقاومت فشاری نمونه‌ها بعد از چرخه‌های انجماد-ذوب حدود 6/13 درصد و مقاومت کششی نمونه‌ها حدود 2/2 درصد کاهش یافته است. کاهش قابل توجه مقاومت فشاری نمونه‌ها در ده چرخه نشان از تاثیرپذیری قابل توجه سنگ تراورتن از فرآیند انجماد-ذوب است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Evaluation of the effect of freeze–thaw cycles on mechanical properties of porous rocks: A case study of Mahallat Travertine

نویسندگان [English]

H. Atapour ¹
R. Rafiei ²

¹ Assist. Prof., Dept., of Geomechanics Engineering, Arak University of Technology, Arak, Iran

² M. Sc., student. Dept., of Mining Engineering, Arak University of Technology, Arak, Iran

چکیده [English]

The durability of rocks under variable climatic conditions is a determining factor in the use of natural rocks as building stones. Severe climate change can damage the rock structure. Therefore, to use stones as engineering and construction materials, it is necessary to evaluate their stability to different cycles of heating and cooling, wetting and drying, as well as freezing and thawing. Due to the diversity of climatic conditions in Iran, which has cold and hot, dry, and coastal areas, the freeze-thawing cycles of water is one of the most important environmental factors that can cause erosion and change the physical and mechanical properties of rocks. In the present study, the aim is to evaluate the strength changes of travertine samples as porous rock due to freezing and thawing cycles. Changes in compressive and tensile strength of the samples were determined during 10 freezing and thawing cycles. The results showed that the compressive strength of the samples was reduced by about 13.6% after freezing-thawing cycles. Also, the tensile strength of the samples has decreased by about 2.2%. Considerable reduction of compressive strength of samples in 10 cycles indicates the significant effect of freeze-thaw cycles on travertine rock.

کلیدواژه‌ها [English]

Building stone
Freeze-thaw cycle
Travertine rock
Erosion
mechanical properties

مراجع

بابازاده، م.، قبادی، ر (1395) ارزیابی اثر هوازدگی نمک و ذوب- انجماد بر مقاومت و دوامپذیری ماسهسنگهای سازند قرمز بالایی. مجله زمینشناسی مهندسی، شماره 1، سال دهم، ص 3351-3372.

حسینی، م.، احمری، ا (1399) اثر دمای انجماد در فرآیند انجماد- ذوب بر خواص فیزیکی و مکانیکی ماسهسنگ. مجله یافته‌های نوین زمین‌شناسی کاربردی، دوره 15 شماره 29، ص 122–34.

حسینی، م.، فخری، د (1397) اثر فرآیندهای یخبندان- ذوب و گرمایش- سرمایش بر نفوذپذیری ماسهسنگ لوشان. مجله مهندسی منابع معدنی، شماره 4، سال سوم، ص 75–91.

احمدی، ر (1397) کنترل کیفیت بلوکهای سنگ ساختمانی با استفاده از روش رادار نفوذی به زمین (GPR). نشریه زمینشناسی مهندسی، شماره 1، سال دوازدهم، ص 1–26.

موسوی، ز.، توکلی، ح.، معارفوند، پ.، رضائی، م (1399) ارزیابی تأثیر چرخه‌های انجماد-ذوب بر روی سرعت امواج فشاری و چگالی سنگ شیست (مطالعه موردی: معدن انگوران). مجله زمینشناسی کاربردی پیشرفته، شماره 1، سال دهم، ص 15–30.

موسوی، ز.، توکلی، ح.، معارفوند، پ.، رضائی، م (1398) ارزیابی تغییرات چگالی و شاخص دوام سنگ شیست تحت تأثیر سیکل‌های انجماد-ذوب. مجله مهندسی معدن، شماره 45، سال چهاردهم، ص 12–1.

عبدی، ی.، خانلری، خ (1397) بررسی تاثیر انجماد- ذوب بر ویژگیهای مکانیکی ماسهسنگهای سازند قرمز بالایی بر اساس اندازهگیری سرعت سیر موج و تخلخل. مجله یافته‌های نوین زمین‌شناسی کاربردی، دوره 12، شماره 23، ص 75–91.

Altindag, R., Alyildiz, I. S., and Onargan, T (2004) Mechanical property degradation of ignimbrite subjected to recurrent freeze-thaw cycles. International journal of rock mechanics and mining sciences, 41: 1023-1028.

ASTM D 5312 (2004) Evaluation of Durability of Rock for Erosion Control Under Freezing and Thawing Conditions.

Beier, N. A., and Sego, D. C (2009) Cyclic Freeze–Thaw to Enhance the Stability of Coal Tailings. Cold Regions Science and Technology, 55: 278–85.

Bellanger, M., Homand, H., Remy, J. M (1993) Water Behaviour in Limestones as a Function of Pores Structure: Application to Frost Resistance of Some Lorraine Limestones. Engineering Geology, 36: 99–108.

Binal, A., Kasapoglu, K. E., Sensogut, C., and Ozkan, I (2002) Effects of freezing and thawing process on physical and mechanical properties of Selime ignimbrite outcrops in Aksaray–Ihlara valley. In VI Regional Rock Mechanics Symposium. Turkish National Society for Rock Mechanics, Seljuk University, Konya, 189-196.

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: 127–36.

Deprez, M., Kock, M. T., Schutter, G. D., Cnudde, V (2020) A Review on Freeze-Thaw Action and Weathering of Rocks. Earth-Science Reviews, 203: 103-143.

Fukuda, M (1983) The Pore Water Pressure Profile in Porous Rocks during Freezing. In Proc. 4th International Conformance on Permafrost, Fairbanks, Alaska, 322–27.

Grossi, C. M., Brimblecombe, P., Harris, I (2007) Predicting Long Term Freeze–Thaw Risks on Europe Built Heritage and Archaeological Sites in a Changing Climate. Science of the Total Environment, 377(2–3): 73–81.

Hosseini, M., and Khodayari, A. R., (2019) Effect of Freeze-Thaw Cycle on Strength and Rock Strength Parameters (A Lushan Sandstone Case Study). Journal of Mining and Environment, 10: 57–70.

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

Lienhart, D. A (1988) The Geographic Distribution of Intensity and Frequency of Freeze-Thaw Cycles. Bulletin of the Association of Engineering Geologists, 25: 465–69.

Martínez-Martínez, J., Benavente, D., Gomez-Heras, M., Marco-Castaño, L., García-del-Cura A (2013) Non-Linear Decay of Building Stones during Freeze–Thaw Weathering Processes. Construction and Building Materials, 38: 443–54.

Matsuoka, N., and Murton, J (2008) Frost Weathering: Recent Advances and Future Directions. Permafrost and Periglacial Processes, 19: 195–210

Mellor, M (1970) 292 Phase Composition of Pore Water in Cold Rocks. Corps of Engineers, US Army, Cold Regions Research and Engineering Laboratory.

Penttala, V., and Al-Neshawy, F (2002) Stress and strain state of concrete during freezing and thawing cycles. Cement and Concrete Research, 32: 1407-1420.

Proskin, S., Sego, D., and Alostaz, M (2010) Freeze–Thaw and Consolidation Tests on Suncor Mature Fine Tailings (MFT). Cold Regions Science and Technology, 63: 110–20.

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

Saad, A., Guédon, S., and Martineau, F (2010) Microstructural Weathering of Sedimentary Rocks by Freeze–Thaw Cycles: Experimental Study of State and Transfer Parameters. Comptes Rendus Geoscience, 342: 197–203

Takarli, M., Prince, V., and Siddique, R (2008) Damage in Granite under Heating/Cooling Cycles and Water Freeze–Thaw Condition. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 45: 1164–75.

Tan, X., Chen, W., Yang, J., and Cao, J (2011) Laboratory Investigations on the Mechanical Properties Degradation of Granite under Freeze–Thaw Cycles. Cold Regions Science and Technology, 68: 130–38.

Ulusay, R., and Hudson, J. A (2007) Suggested Methods Prepared by the Commission on Testing Methods. International Society for Rock Mechanics: 628.

Vandemeulebroucke, I., et al (2019) Does Historic Construction Suffer or Benefit from the Urban Heat Island Effect in Ghent and Global Warming across Europe?. Canadian Journal of Civil Engineering, 46: 1032–42.

Vereecken, E., Gelder, L. V., Janssen, H., and Roels, S (2015) Interior Insulation for Wall Retrofitting–A Probabilistic Analysis of Energy Savings and Hygrothermal Risks. Energy and Buildings, 89: 231–44.

Wang, P., Xu, J., Fang, X., Wang, P., Zheng, G., and 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.

Winkler, E. M (1968) Frost Damage to Stone and Concrete: Geological Considerations. Engineering Geology, 2: 315–23.

Yavuz, H., Altindag, Saracl, 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: 767–75.

Zhang, Sh., Lai, Y., Zhang, X., Pu, Y., Yu, W (2004) Study on the Damage Propagation of Surrounding Rock from a Cold-Region Tunnel under Freeze–Thaw Cycle Condition. Tunnelling and Underground Space Technology, 19: 295–302.