Opublikowano: 31.111.1969 57136 KI. 42 k, 49/02 MKP G 01 n %ty2 Twórca wynalazku: mgr Jaroslaw Mikulski Wlasciciel patentu: Centralny Osrodek Badan i Rozwoju Techniki Dro¬ gowej, Warszawa (Polska) Sposób nieniszczacy oceny mrozoodpornosci próbek materialów kamiennych i urzadzenie do stosowania tego sposobu Przedmiotem wynalazku jest sposób nieniszczacy oceny mrozoodpornosci próbek materialów kamien¬ nych i urzadzenie do stosowania tego sposobu. Spo¬ sób ten okresla, jak mozna badac material kamien¬ ny nie tylko w laboratorium, lecz równiez w tere¬ nie np. w (kamieniolomie, czy tez na budowie, po¬ minieciem czasochlonnego badania mrozoodpornosci w zamrazarce, lub metoda krystalizacji, sposób i urzadzenie wedlug wynalazku przeznaczone sa za¬ równo do prac geologicznych, jak i komunikacyj¬ nych, budowlanych itp.Znane w technice sposoby oceny odpornosci na dzialanie mrozu surowca skalnego wymagaja pod¬ dania, wycietych uprzednio z tego surowca pró¬ bek, np. o wymiarach 10 x 10 x 10 cm, kolejnym dwudziestu pieciu cyklom zamrazania i odmraza¬ nia. Zamrazanie prowadzi sie w chlodziarkach, np. w temperaturze —20° C, a odmraza sie próbki w naczyniach z woda o temperaturze +18° C. Po kaz¬ dym cyklu, tj. po odmrozeniu, oglada sie kostki w celu stwierdzenia ewentualnych uszkodzen wywo¬ lanych niszczacym dzialaniem zamarzajacej wody w porach, szczelinach, kawernach itp. badanych próbek.Badana próbke surowca skalnego uznaje sie za mrozoodporna jesli po okreslonej ilosci cykli za¬ mrazania i odmrazania np. dwudziestu pieciu nie wystapia na jej powierzchni makroskopowo widocz¬ ne zmiany, lub nie wykaze ona straty na ciezarze 10 25 30 (w stanie powietrznosuchym) w stosunku do jej ciezaru przed badaniem.Badanie to jest dosc klopotliwe z uwagi na wy¬ magany sprzet, który moze byc instalowany tylko w laboratorium stacjonarnym, oraz ze wzgledu na znaczna ilosc czasu potrzebna do wykonania bada¬ nia, to jest okolo dwadziescia piec dni roboczych (w ciagu jednego dnia roboczego mozna przeprowa¬ dzic tylko jeden cykl zamrazania i odmrazania).Znane itez w technice badania sposobem krystali¬ zacji np. siarczanu sodu nie wymaga wprawdzie juz laboratorium stacjonarnego, nie mniej musi byc prowadzone w warunkach laboratoryjnych, chociaz¬ by tylko ze wzgledu na potrzebe stosowania su¬ szarki utrzymujacej stala temperature. Czas po¬ trzebny na wykonanie badania wynosi przy tym sposobie minimum szesc dni roboczych.Istota wynalazku polega na zastapieniu dotych¬ czasowej metody zamrazania i odmrazania, wzgled¬ nie* metody krystalizacji pomiarem wartosci cech sprezystych badanego materialu, dzieki czemu ogra¬ nicza sie wielokrotnie czas badania.Na podstawie przeprowadzonych doswiadczen wy¬ prowadzono zaleznosc miedzy wzglednymi warto¬ sciami sprezystosci, uzyskanymi przy pomocy zna¬ nego mlotka Schmidfa a bezwzglednymi warto¬ sciami nasiakliwosci wagowej badanych materia¬ lów. Zaleznosc te, dla róznych rodzajów skal, przed¬ stawiono na wykresach sporzadzonych przez na¬ niesienie na uklad dwóch wspólrzednych prosto- 571|057136 »r katnych punktów, którym odpowiadaly oznaczone doswiadczalnie na próbkach wzgledne wartosci cech sprezystych „mS" — odczytane na osi rzed¬ nych i bezwzgledne wartosci nasiakliwosci wago¬ wej „N" ¦— odczytane na osi odcietych.Znajac z badan wczesniejszych, która z aktual¬ nie badanych próbek byla mrozoodporna, a która nie, wyznaczono tzw. „pole martwe" oznaczone li¬ terami BOEC, na którym nie mozna zlokalizowac zadnego punktu; „pole mrozoodpornosci warumko- V ? ^J" — oznaczone literami AiBOD, w obrebie któ¬ rego zlokalizowano punkty dla próbek mrozoodpor- nych ale o stosunkowo niskich wartosciach cech sprezysJarn i malych nasiakliwosciach; „granice mrlz^odpornosci"',L^33r^pcwyzej której lezy .obszar, gdae znalazly sie punkty dla próbek mrozoodpor- nyJh o odpowiednio Wysokich wartosciach cech spnezyStpch «i** ntólych iiasiakliwosciach, oraz „gra- niie Jar&k.u „lub 'niepewnej mrozodpornosci" DE, za która lezy obszar, gdzie zlokalizowano punkty dla próbek niemrozoodpornych o 'niskich wartosciach cech sprezystych i duzych nasiakliwosciach.Z uwagi na róznice strukturalne i teksturalne, charakterystyczne dla poszczególnych rodzajów skal, sporzadzono dla przykladu w podany wyzej sposób ^wykresy. Wykresy te, oraz przykladowe wykonanie urzadzenia do stosowania tego sposobu przedstawio¬ ne sa na rysunku, na którym fig. 1 — przedstawia zaleznosc miedzy sprezystoscia i nasiakliwoscia, a mrozoodpornoscia piaskowców, fig 2 — skal we¬ glanowych, fig. 3 — sklal glebinowych takich, jak granity, sjenity, sjenodioryty itd., fig. 4 — skal wy¬ lewnych takich, jak bazalty, diabazy, melafiry, por¬ firy itd., fig. 5 — skal przeobrazonych o teksturze bezkierunkowej takich, jak amfibolity, serpentyni¬ ty, kwarcyty, marmury itd., fig. 5a — skal przeobra¬ zonych o teksturze lupkowej takich, jak gnejsy i inne lupki krystaliczne, fig. 6 — przedstawia urza¬ dzenie pomiarowe sluzace najkorzystniej do wyko¬ nania sposobu, a fig. 7 — przedstawia przygoto¬ wana do badania próbke.Przed przystapieniem do wykonania wlasciwych pomiarów dokonuje sie makroskopowych ogledzin badanej skaly. Wazne sa szczególnie cechy tekstu¬ ralne jak uwarstwienie lub jego brak, porowatosc, szczelinowatosc, jednorodnosc itp., oraz cechy struk¬ turalne jak wielkosc uziarnienia, dane o pochodze¬ niu skaly np. onganogenicznym, chemicznym, wul¬ kanicznym itp. Ponadto wskazanym jest sklasyfi¬ kowanie skaly i stwierdzenie do jakiej grupy skala nalezy, magnowych, osadowych czy przeobrazonych.Nastepnie pobiera sie próbke i przygotowuje sie ja do badania, albo przez wyciecie z niej szescianu o boku nie wiekszym, niz 10 cm, albo przez od¬ lupanie brylki o wymiarach nie wiekszych niz wy¬ zej wymieniony szescian. Na brylce tej wygladza sie, w miare moznosci, trzy plaszczyzny mozliwie prostopadle do trzech osi przestrzennych x, y, z jak przedstawiono na fig. 7. Tak przygotowana próbke poddaje sie badaniom.Urzadzenie pomiarowe, sluzace najkorzystniej dla wykonania sposobu przedstawione na fig. 6 sklada sie z dwóch podstawowych czesci, to jest mlotka Schmidfa 1 i plyty stalowej 4, stanowiacej podsta¬ we urzadzenia, która ustawia sie poziomo przy po¬ lo 15 25 30 35 40 45 50 55 60 65 mocy srub poziomujacych 10, sprawdzajac jedno¬ czesnie prawidlowosc ustawienia w -poziomie przy pomocy libelii 9. Na plycie stalowej oprócz iilbelii 9 zamocowany jest uchwyt 6 i 7 wraz ze sruba do¬ ciskajaca 8. Uchwyt ten sluzy do zamocowania ba¬ danej próbki 11 na plycie 4.Ponadto do plyty stalowej wmontowany jest sta¬ tyw 2 posiadajacy ruchomy uchwyt 3 do mlotka Schmidfa 1, z zaciskiem 5. Mlotek Schmidfa 1, w uchwycie 3 porusza sie swobodnie, ale tylko w pla¬ szczyznie pionowej — prostopadlej do plyty stalo¬ wej 4.Sam mlotek Schmidfa nalezy do grupy przyrza¬ dów, zwanych sklerometrami; sluzacych do okre¬ slania twardosci betonów. Przyrzad ten dziala na zasadzie odskoku „masy bezwladnej" od pobudzo¬ nej uderzeniem próbki. Uderzenie ze stala energia np. 0,225 kGm, charakterystyczna dla mlotka Schmidfa wywoluje sie za pomoca systemu spre¬ zyn.Przygotowana próbke zamocowuje sie na plycie stalowej pod mlotkiem Schmidfa, lub innym po¬ dobnym przyrzadem, jedna z wygladzonych pla¬ szczyzn do góry. Na plaszczyznie tej opiera sie trzpien uderzeniowy mlotka Schmidfa, dociska sie ten mlotek, az do wywolania uderzenia, nastepnie unieruchamia sie wskaznik przez wcisniecie przy¬ cisku znajdujacego sie na powierzchni górnej cze¬ sci obudowy mlotka i dokonuje odczytu na skali wskazan mlotka Schmidfa.Istota sposobu oznaczania mrozoodpornosci kaz¬ dego surowca skalnego wymaga, aby badana prób¬ ke o najkorzystniejszych wymiarach okolo 10 x 10 x x 10 cm i ksztalcie zblizonym do szescianu, umies¬ cic na plycie stalowej (fig. 6) i poddac co najmniej dziewieciu uderzeniom mlotka Schmidfa. Uderze¬ nia te powinny byc skierowane zgodnie z kierun¬ kami trzech osi przestrzennych x, y, z — (fig. 7).Jako ostateczny wynik przyjmuje sie srednia ary¬ tmetyczna ze wszystkich pomiarów, przy czym wy¬ niki poszczególnych pomiarów nie powinny róznic sie miedzy soba wiecej niz o 20°/o.Podczas wykonywania pomiarów mlotek Schmid¬ fa (lub inny przyrzad pomiarowy) nie powinien byc odchylony od pionu wiecej niz o 20°. Przedsta¬ wione na fig. 1 — 5a wykresy wykonano z zacho¬ waniem podanego wyzej warunku.Wieksze odchylenia daja pewne róznice w od¬ czytach i dla takich odchylen opracowuje sie od¬ rebne wykresy. Mozna równiez zastosowac do uzy¬ skanych wyników przy pomiarach pod katami 45° i 90°, w stosunku do pionowej pozycji mlotka Schmidfa, odpowiednie poprawki, a wyniki inter¬ pretowac w oparciu o wykresy jak na fig. 1 — 5a.Ta modyfikacja sposobu moze znalezc zastosowa¬ nie podczas prowadzenia pomiarów w samym zlo¬ zu, w róznych jego czesciach i odslonieciach, lub na odspojonych juz blokach bez potrzeby sporza¬ dzania osobnych wykresów. W takich warunkach badan ilosc pomiarów musi wahac sie od kilku¬ dziesieciu do kilkuset, w zaleznosci od rozmiarów zloza i postawionego celu, a wynik miarodajny na¬ lezy oibMczyc metode statystyczna.W celu stwierdzenia mrozoodpornosci badanego surowca skalnego sredni wynik mS uzyskany z po-57138 6 miarów mlotkiem Schmidfa porównuje sie z od¬ powiednim dla tego surowca wykresem i jesli ten wynik znajduje sie powyzej granicznego punktu A zaznaczonego na osi rzednych znaczy to, ze uzyska¬ lo sie próbe pozytywna tzn. badany surowiec skal¬ ny jest mrozoodporny.Jezeli okaze sie, ze sredni wynik mS znajduje sie w granicach punktów A — B na osi rzednych, wtedy przeprowadza sie uzupelniajace badanie na¬ siakliwosci wagowej wedlug obowiazujacych norm.Po uzyskaniu wyniku nasiakliwosci, w powiazaniu z wynikiem badania mlotkiem Schmidfa nanosi sie na odpowiedni wykres punkt i jesli znajdzie sie on w obrebie „pola mrozoodpornosci warunkowej" ABCD oznacza to, ze uzyskano próbe pozytywna w zakresie ustalonej mrozoodpornosci.Jesli jednak wynik uzyskany przy pomocy mlot¬ ka Schmidfa odpowiada wartosciom znajdujacym sie ponizej, granicznego punktu B na odpowiednim wykresie, wtedy zachodzi koniecznosc przeprowa¬ dzenia laboratoryjnego badania mrozoodpornosci, podobnie zreszta jak w odniesieniu do próbek, dla których wyznaczone punkty (odczyt na osi rzed¬ nych mS i odczyt na osi odcietych N) znajda sie poza graniczna linia mrozoodpornosci CE.Sposób nieniszczacy oceny mrozoodpornosci pró¬ bek materialów kamiennych wedlug wynalazku wy¬ jasniony jest na podanym nizej przykladzie. Po badania wzieto blok piaskowca drobnoziarnistego o niezbyt wyraznej teksturze warstwowej, z które¬ go wycieto szescian o wymiarach 10 x 10 x 10 cm.Na trzech prostopadlych do siebie scianach sze¬ scianu przeprowadzono badania mlotkiem Schmidfa i uzyskano nastepujace wyniki: na scianie prosto¬ padlej do osi x — 38; 34; 42; na scianie prostopa¬ dlej do osi y — 41; 40; 42; na scianie prostopadlej do osi z — 45; 51; 50.Srednia arytmetyczna pomiarów wzglednych war¬ tosci cech sprezystych mS = 43. Wynik ten miesci sie miedzy punktami granicznymi A — B (fig. 1), a zatem nalezy przeprowadzic uzupelniajace bada¬ nie nasiakliwosci Wagowej próbki wedlug obowia¬ zujacych norm. Bezwzgledna wartosc nasiakliwosci wagowej N = 4,06P/o.Przy pomocy wspólrzednych (mS = 43, N = 4,06) naniesionych na wykres (fig. 1) zlokalizowano cha¬ rakterystyczny dla badanej próbki skalnej punkt w obrebie „pola mrozoodpornosci warunkowej" ABCD, co oznacza, ze próbka jest mrozoodporna.Sposób wedlug wynalazku mozna stosowac rów¬ niez przy pomocy przyrzadów, które wyikazuja zwia¬ zek miedzy dynamicznym lub statycznym dziala¬ niem sily na próbke danego materialu, a jej od¬ ksztalceniem sprezystym (badanie tensometryczne w strefie dzialania prawa ftooke^). Przy dokony¬ waniu badan innymi przyrzadami opracowuje sie osobne wykresy, kierujac sie zasada opisana juz 5 wyzej.Podstawowa zaleta wynalazku jest to, ze ocene mrozoodpornosci mozna przeprowadzic w znacznie krótszym czasie, niz metodami normowymi. Czas wykonania jednego badania mlotkiem Schmidfa nie 10 trwa dluzej niz jedna godzina, co w porównaniu z czasem potrzebnym na wykonanie badania w za¬ mrazarce, mozna przedstawic stosunkiem 1 :400.Znacznym udogodnieniem jest fakt, ze badanie mlotkiem Schmidfa moze byc prowadzone nawet w 15 najtrudniejszych warunkach terenowych, bez ko¬ niecznosci stosowania jakichkolwiek urzadzen la¬ boratoryjnych, nawet z pominieciem urzadzenia przedstawionego na fig. 6, jesli pomiarami objete sa wieksze bloki skalne lub cale sciany w kamienio- 20 lomie. PL