Laboratorijska ispitivanja čvrstoće stijenske mase
Laboratorijska ispitivanja predstavljaju jedan od vrlo značajnih segmenata u proučavanju svojstava i ponašanja stijena u različitim uvjetima i sastavni su dio geotehničkih istražnih radova. Postoji nekoliko metoda laboratorijskih ispitivanja čvrstoće stijenske mase od kojih su najznačajnije UCS (jednoosna tlačna čvrstoća), PLT (indeks čvrstoće određen postupkom opterećivanja u točki) i Brazilski test (vlačna čvrstoća stijena).
Čvrstoća
Čvrstoća je maksimalno naprezanje koje materijal može podnijeti bez loma za bilo koji tip opterećenja te je jedna od osnovnih informacija pri opisu stijena.
Čvrstoća stijene ovisi o mineralno-petrografskim čimbenicima kao mineralnom sastavu, čvrstoći minerala koji grade stijenu, jačini kohezije između zrna, krupnoći materijala i njihovom međusobnom odnosu, teksturnoj anizotropiji, poroznosti, sposobnosti upijanja vode, raspucalosti i svježini stijene (Tomašić i sr., 2000, Maričić 2014).
Razlikujemo tri čvrstoće unutar stijenske mase:
- Tlačna (jednoosna ili troosna)
- Vlačna
- Posmična
Jednoosna tlačna čvrstoća stijene
Jednoosna tlačna čvrstoća (UCS) stijena je mehaničko svojstvo definirano kao najveće naprezanje u jednom smjeru uz slobodno bočno širenje kod kojeg dolazi do loma materijala. Naprezanje je izraženo u MPa i definirano kao sila (N) koja djeluje po jedinici površine (m2). U momentu loma dolazi do pucanja, pomicanja, savijanja i deformacije mineralnih zrna i pornog prostora uzorka.
Jednoosna tlačna čvrstoća se može prikazati s izrazom:
gdje je:
σc – tlačna čvrstoća [MPa]
F – sila pri kojoj dolazi do loma [MN]
A – površina poprečnog presjeka [m2]
Laboratorijska ispitivanja jednoosne tlačne čvrstoće stijene se provode na valjkastim uzorcima pravilnih dimenzija s odnosom visine i promjera 2,5–3,0:1,0 te s promjerom za koji nije poželjno da bude ispod 54 mm. Promjer uzorka bi trebao biti bar 10 puta veći od prosječne veličine zrna. Broj uzoraka koji se ispituje bi trebao biti minimalno 5. Baze uzorka moraju biti bez neravnina većih od 0,02 mm, i okomite na plašt koji ne smije imati neravnine veće od 0,25 mm. Opterećenje na uzorak se treba nanositi kontinuirano, na takav način da do sloma dođe unutar 5 do 10 minuta od početka naprezanja. Kontinuirani prirast opterećenja je od 0,5 do 1 MPa.
Princip ispitivanja jednoosne tlačne čvrstoće je prikazan na slici 1, dok su karakteristični tipovi slomova prikazani na slici 2. Slomovi mogu biti smični, vlačni, smično vlačni i plastični.
Vlačna čvrstoća stijena
Vlačna čvrstoća stijenskoga materijala obično se definira kao najveće vlačno naprezanje koje taj materijal može izdržati. Stijenski materijal obično ima nisku vlačnu čvrstoću, a njezino određivanje može se provesti direktnim i indirektnim postupcima od kojih je najpoznatiji Brazilski test (Briševac i sr., 2015).
Brazilski test je indirektni postupak određivanja vlačne čvrstoće stijene. Stijena se izlaže tlačnom opterećenju na način da se izazove vlačno naprezanje uzorka stijene. Rezultat brazilskog testa je vlačna čvrstoća stijene (σBTS) prikazana formulom:
gdje je:
σBTS – indirektna vlačna čvrstoća stijene [MPa]
F – sila sloma uzorka [kN]
D – promjer uzorka [mm2]
t – debljina uzorka [mm]
Prema ISRM-u laboratorijska ispitivanja vlačne čvrstoće stijene se obavljaju na cilindričnom uzorku koji ima promjer ne manji od 54 mm i debljinu koja je približno jednaka polumjeru uzorka. Neravnost plašta cilindra ne smije biti veća od 0,025 mm. Bar 10 ispitnih uzoraka se preporučuje uzeti za jednu vrstu stijene, odnosno iz jednog uzorka formira se 10 ispitnih uzoraka. Opterećenje na uzorku treba biti kontinuirano s konstantnim prirastom, tako da lom nastupi unutar nekoliko minuta. Prirast opterećenja ovisi o čvrstoći i veličini uzorka, i varira između 10 i 50 kN/min. Princip ispitivanja je prikazan na slici 3.
Indeks čvrstoće određen postupkom opterećivanja u točki
Indeks čvrstoće određen postupkom opterećivanja u točki (PLT) je indeksna metoda za određivanje čvrstoće stijene pri opterećenju u točki, prikazano na slici 5. PLT je zamišljen kao indeksni test za klasifikaciju stijenske mase izravno ili u korelaciji s jednoosnom tlačnom čvrstoćom. Rezultat ispitivanja je indeks čvrstoće Is(50)(MPa) prikazan formulom:
gdje je:
Is(50) – indeks čvrstoće
De – promjer uzorka [mm]
Princip PLT testa sastoji se u tome da se uzorci stijene lome primjenom koncentriranog opterećenja preko para zaobljenih konusnih šiljaka. Ako je uzorak stijene u obliku jezgre tada se vrše takozvani dijametralni i aksijalni testovi, ako je u obliku rezanih blokova ili je nepravilan vrši se “blok test” ili test nepravilnih uzoraka. Ispitivanje je moguće u laboratoriju i na terenu. Najprecizniji rezultati se dobivaju s promjerom uzorka od 50 mm. Standardizirani prijenosni uređaj idealan je za brzo izvođenje pokusa na jezgri iz bušotina i to izravno na terenu.
*Reference:
Hrženjak, P., 2013. Interna skripta Mehanika stijena 1. Zagreb: Rudarsko-geološko-naftni fakultet.
Maričić A., 2014. Utjecaj svojstava benkovačkoga prirodnoga kamena na njegovu postojanost. Doktorski rad. Zagreb: Rudarsko-geološko-naftni fakultet.
Gudelj Veljaga, A., 2018. Povezanost abrazivnosti s ostalim fizikalno – mehaničkim svojstvima stijena. Diplomski rad. Zagreb: Rudarsko-geološko-naftni fakultet.
Pročitajte više: Point load test (PLT)
