Laboratoryjne badania skał
Laboratoryjne badania skał są jednym z najważniejszych etapów analizy ich właściwości i zachowania w różnych warunkach. Stanowią one integralną część prac geotechnicznych, wydobywczych oraz poszukiwawczo-rozpoznawczych, a także mogą okazać się niezbędne w sektorze budowlanym. W ramach badań laboratoryjnych możliwe jest określenie różnorodnych parametrów fizycznych i mechanicznych, takich jak wytrzymałość skał na ściskanie czy trozciąganie.
W Laboratorium geotechnicznym BGiS wykonujemy analizy właściwości skał we własnym laboratorium. Dysponujemy nowoczesną aparaturą pomiarowo-badawczą pozwalającą uzyskać możliwie najdokładniejszy wynik w krótkim czasie. Przestrzegamy rygorystycznych procedur i standardów, a nasza wykwalifikowana kadra inżynierów może pochwalić się wieloletnim doświadczeniem w badaniu właściwości różnego rodzaju skał.
Rodzaje laboratoryjnych badań skał
Laboratoryjne badania skał, podobnie jak laboratoryjne badania gruntów, wymagają wcześniejszego odpowiedniego przygotowania próbki, która następnie umieszczana jest w aparaturze badawczej. Właściwe przygotowanie próbki rzutuje na rzetelność przeprowadzonego badania i jest jednym z najważniejszych etapów przeprowadzenia wysokiej jakości oznaczeń.
Proces przygotowania próbek skał do badań obejmuje kilka kluczowych kroków. Wszystko rozpoczyna się od wyboru reprezentatywnej próbki. Jest to kluczowe dla uzyskania wiarygodnych wyników. Należy pamiętać, że próbka powinna być na tyle duża, aby umożliwić wykonanie wszystkich niezbędnych testów, a jednocześnie na tyle mała, aby nie wprowadzać błędów wynikających z jej wielkości.
Następnie próbka musi zostać odpowiednio przygotowana poprzez usunięcie zanieczyszczeń. Kolejnym krokiem jest odpowiednie przechowywanie próbki przed badaniem. Powinno się to robić w szczelnych pojemnikach, aby uniknąć wysychania lub namaczania, które mogą wpłynąć na wyniki badania. Bardzo ważne jest też to, aby próbka została umieszczona w aparaturze badawczej zgodnie z wybraną metodą badania, zgodnie z protokołami laboratoryjnymi.
Do zadań przygotowujących próbki skał należą między innymi:
- wytrzymałości na ściskanie w jednoosiowym stanie naprężenia,
- wytrzymałości na ściskanie w trójosiowym stanie naprężenia,
- wytrzymałości na rozciąganie,
- urabialności,
- ścieralności i rozmakalności,
- kąta tarcia wewnętrznego,
- własności petrofizycznych.
Laboratoryjne badania skał przeprowadzane są zgodnie z przyjętymi normami krajowymi, europejskimi lub międzynarodowymi oraz zgodnie z zapotrzebowaniem i wytycznymi Klientów.
Przygotowywanie próbki do badania skał w laboratorium
Laboratoryjne badania skał wymagają wcześniejszego odpowiedniego przygotowania próbki, która następnie umieszczana jest w aparaturze badawczej. Właściwe przygotowanie próbki rzutuje na rzetelność przeprowadzonego badania i jest jednym z najważniejszych etapów przeprowadzenia wysokiej jakości oznaczeń.
Do zadań przygotowujących próbki skał należą między innymi:
- rdzeniowanie bloków skalnych,
- cięcie uzyskanych rdzeni,
- szlifowanie,
- cięcie bloków na mniejsze fragmenty,
- docinanie próbek pod określonym kątem.
Narzędzia do przygotowywania próbek wykonane są z trwałych materiałów pokrytych diamentowymi powłokami.
Wytrzymałość na ściskanie
Metoda polega na obciążeniu próbki skały w kształcie prostopadłościanu lub walca siłą ściskającą równomiernie wzrastającą, aż do osiągnięcia siły niszczącej próbkę, odczytaniu wartości tej siły i obliczeniu na jej podstawie wytrzymałości skały na ściskanie. Oznaczenie najczęściej wykonywane jest na próbkach w kształcie walca natomiast kształt każdorazowo dostosowany jest do wymagań zleceniodawcy i zdefiniowanej na etapie zlecenia normy. Najczęściej są to odpowiednio docięte i wyszlifowane próbki o stosunku wysokości do średnicy 1:1 bądź 2:1 w zależności od przyjętej normy. Powierzchnie czołowe próbek, przeznaczonych do ściskania pierwotnie są szlifowane. Próbki przed wykonaniem oznaczenia są odpowiednio przygotowywane zgodnie z warunkami zdefiniowanymi w przyjętej do badań normie. Bezpośrednio przed właściwym pomiarem mierzone są wymiary próbki po czym powierzchnie czołowe obciążane są ze stałą prędkością wzrastania naprężeń ściskających równą 0,1 MPa/s. Zastosowano prasę mechaniczną do badania wytrzymałości na ściskanie o maksymalnym nacisku 3000 kN. Wartość wytrzymałości na ściskanie wyrażoną stosunkiem siły niszczącej próbkę do powierzchni jej przekroju. Badania wykonywane są zgodnie z normami PN-G-04303, PN-EN 1926, Suggested Methods for Determining the Uniaxial Compressive Strenght and Deformability of Rock Materials.
Wytrzymałość na rozciąganie
Badanie wytrzymałości na rozciąganie przeprowadza się metodą pośrednią (tzw. brazylijską). Metoda polega na obciążeniu próbki skały w kształcie walca siłą ściskającą równomiernie rozłożoną wzdłuż tworzącej pobocznicy walca i na odczytaniu siły niszczącej w chwali pęknięcia próbki, finalnie na obliczeniu na tej podstawie wytrzymałości skały na rozciąganie. Wartość wytrzymałości na rozciąganie określona jest stosunkiem siły powodującej pęknięcie próbki do pola powierzchni płaszczyzny pęknięcia. Próbki przygotowane są zgodnie z procedurami opisanymi w zdefiniowanych do badań normach. Badania wykonywane są zgodnie z normami PN-G-04303, PN-G-04301.
Moduły sprężystości
Wyznaczenie modułu Younga (modułu sprężystości podłużnej), modułu Kirchhoffa (modułu odkształcalności postaciowej) i współczynnika Poisson’a wymaga uprzedniego pomierzenia prędkości fal ultradźwiękowych: podłużnej P i poprzecznej S. Należy pamiętać, że prędkości fal podłużnych i poprzecznych w skałach osadowych są zależne od wielu parametrów, szczególnie od współczynnika porowatości, nasycenia wodą i węglowodorami, składu mineralnego oraz obecności materiału ilastego w porach skalnych lub szkielecie. Cechy te w dużym stopniu skorelowane są z gęstością objętościową skały. Badania wykonywano na próbkach w stanie powietrzno-suchym. Badania wykonywane są zgodnie z normami PN-EN 14579 i PN-EN 14580 oraz dostępną literaturą.
Bała M., 1990 – Klasyfikacja skał osadowych na podstawie ich modułów sprężystości wyznaczonych z obrazów
falowych. Przegląd Geologiczny 12: 556–559.
Instrukcja obsługi Ultradźwiękowy tester materiałów typ CT 3. Wyd. 1, UNIPAN-ULTRASONIC Sp. z o.o., 1997.
Makowska-Lech K., Sas W., Gabryś K., Lech M., Soból E., 2016 – Wyznaczanie współczynnika Poisson’a na
podstawie pomiaru prędkości fal akustycznych. Journal of Civil Engineering, Environment and
Architecture, 33, 63: 99–108.
Pasierb B., 2003 – Badanie prędkości podłużnych i poprzecznych fal ultradźwiękowych w skałach z zastosowaniem krajowej apratury: CT-3, MT-540, UMT-01, UZP-1. Czas. Tech., Środ. PK. 7-Ś: 213–224.
Piekarczyk W., Kata D., 2016 – Methodology for determining material constants of anisotropic material
belonging to the transversely isotropic system by ultrasound method. Ultrasonics 71: 199–204.