بررسی آزمایشگاهی اثر اندازه دانه بر پارامترهای مکانیکی و چقرمگی شکست مود i مواد شبه ‌سنگی

ویژگی‌های مکانیکی سنگ‌ها به شدت تحت تاثیر ریزساختار، بافت و خصوصیات پتروگرافی آن‌ها قرار دارند. یکی از مهم‌ترین پارامترهای ریزساختاری، دانه‌بندی است که تاثیر آن بر مقاومت سنگ در مطالعات پیشین نتایج متفاوتی داشته است. علت این اختلاف، تاثیر سایر ویژگی‌های ریزساختاری بر نتایج آزمایش‌ها بوده است. در این تحقیق، تاثیر دانه‌بندی بر پارامترهای مکانیکی و چقرمگی شکست مود i در نمونه‌های سنگ مصنوعی، با ثابت نگه‌داشتن سایر عوامل ریزساختاری، بررسی شد. به همین منظور، سه گروه سنگ مصنوعی با ترکیب یکسان اما دانه‌بندی متفاوت ساخته شده و تحت آزمایش‌های فیزیکی و مکانیکی شامل مقاومت فشاری تک‌محوری، مقاومت کششی برزیلی و چقرمگی شکست مود i قرار گرفتند. نتایج آزمایش‌ها نشان داد که دانه‌بندی به عنوان یک عامل کلیدی در رفتار مکانیکی سنگ، تاثیر مستقیمی بر پارامترهای مقاومتی دارد. با افزایش اندازه دانه‌ها، مقاومت فشاری، مقاومت کششی و مدول الاستیسیته به‌طور معناداری کاهش می‌یابند و چقرمگی شکست نیز همبستگی منفی قابل‌توجهی با اندازه دانه دارد. ضرایب همبستگی بین دانه‌بندی و پارامترهای مقاومت فشاری تک‌محوری(r=-0.95)، مقاومت کششی برزیلی(r=-0.93)، مدول الاستیسیته (r=-0.98) و چقرمگی شکست مود i (r=-0.94) است که نشان‌دهنده تاثیر قوی دانه‌بندی بر این خصوصیات است. همچنین مشخص شد که در نظر گرفتن دانه‌بندی در مدل‌های پیش‌بینی چقرمگی شکست باعث بهبود دقت این مدل‌ها می‌شود. این یافته‌ها بر اهمیت در نظر گرفتن دانه‌بندی در تحلیل‌های مکانیکی سنگ و مدل‌های پیش‌بینی رفتار شکست تاکید دارند.

experimental investigation of the effect of grain size on the mechanical parameters and mode i fracture toughness of rock-like materials

the mechanical properties of rocks are significantly influenced by their microstructure, texture, and petrographic characteristics. one of the most critical microstructural parameters is grain size, whose effect on rock strength has yielded inconsistent results in previous studies due to the influence of other microstructural factors. this study investigates the effect of grain size on the mechanical parameters and mode i fracture toughness of artificial rock samples while keeping other microstructural factors constant. to achieve this, three groups of artificial rock samples with identical composition but different grain sizes were prepared and subjected to laboratory tests, including uniaxial compressive strength (ucs), brazilian tensile strength (bts), and mode i fracture toughness. the experimental results indicate that grain size plays a crucial role in determining the mechanical behavior of rocks. an increase in grain size leads to a significant decrease in ucs, bts, and elastic modulus, while mode i fracture toughness exhibits a strong negative correlation with grain size. the correlation coefficients between grain size and ucs (r=-0.95), bts (r=-0.93), elastic modulus (r=-0.98), and mode i fracture toughness (r=-0.94) confirm the strong influence of grain size on these properties. additionally, considering grain size in fracture toughness prediction models improves their accuracy. these findings highlight the importance of accounting for grain size in rock mechanical analyses and predictive fracture behavior models.