Sử dụng búa SCHMIDT xác định nhanh độ bền của đá trầm tích tại hiện trường

So far, the quick determination of the rock mechanical strength at the drifts has been paid much attention to. Under the different geological conditions, the same rock provides its different toughness with the utilization of different equipment. The paper refers to the utilization of the Schmidt hammer for the quick determination of the sedimentary rock toughness in situ

TS. PHẠM MINH ĐỨCTS. LÊ VĂN CÔNG

KS. TÀO VĂN NGÂNViện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin

Tính chất cơ học của đá ảnh hưởng đến quá trình công nghệ và chống giữ khi thi công các đường lò trong lòng đất. Sự hình thành các trầm tích là nguyên nhân tạo nên các tính chất cơ học của đá khác nhau khi tác động vào chúng theo các hướng khác nhau. Quá trình trầm tích là quá trình thành tạo lớp theo kích thước các cỡ hạt như: hạt mịn, hạt trung, hạt thô tương ứng với các loại như: than, sét, bột, cát, sạn cuội kết. Sự thành tạo các lớp không những chỉ theo khối lớn, mà ngay trong cùng một loại đá cũng có sự khác nhau, không những về cấu tạo hạt mà còn khác biệt về tính chất cơ học mà đặc trưng nhất là độ bền nén dọc trục. Khi nén một mẫu đá theo hướng vuông góc với lớp và dọc theo lớp đá cho thấy sự khác biệt rõ ràng giữa độ bền nén vuông góc luôn lớn hơn so với dọc theo lớp. Ngoài ra, với cùng một loại đá, nhưng tại mỗi vị trí khác nhau (độ sâu, hay ở gần các phay, uốn nếp, khô hay ngập nước v.v…) đều thể hiện độ bền khác nhau.

Quá trình đào lò là quá trình tác động cơ học (khoan, nổ hay cắt) để phá vỡ đá. Quá trình phá đá có thể góp phần giữ cho đá xung quanh đường lò không bị giảm đáng kể mức độ ổn định hay tác động mạnh làm cho khối đá bị nứt nẻ do công nghệ làm mất ổn định.

Trong quá trình thiết kế, thi công đường lò mỏ, một số đặc tính về độ bền về cấu trúc đá được quan tâm đó là độ bền nén dọc trục, môđun đàn hồi hay sự nứt nẻ, phân lớp, góc dốc của lớp đá v.v…

Đến nay, hầu hết các tính chất cơ lý của đá đều dựa vào kết quả nén thử các mẫu lấy từ các lỗ khoan trong quá trình khoan thăm dò. Song các kết quả xác định trong quá trình khảo sát, thăm dò có tính đại diện không cao, do khoảng cách giữa các lỗ khoan rất lớn. Mặt khác, do các lõi khoan từ trên mặt đất xuống nên các lõi không vuông góc với lớp đá, do đó, khi nén, lực nén không thể vuông góc hay song song với lớp đá.

Trong thi công, để có những quyết định nhanh, chính xác về độ bền cơ học của đá cần có số liệu nhanh. Trong khi đó, để xác định độ bền trong khi thí nghiệm cần rất nhiều nguyên công từ gia công mẫu,cắt gọt mài phẳng mặt mẫu, nén mẫu… đòi hỏi phải có thời gian dài. Do đó, biện pháp xác định nhanh tại hiện trường (in situ) là biện pháp hữu hiệu nhất.

Hiện nay đang tồn tại một số biện pháp xác định nhanh và chính xác các chỉ tiêu cơ học đá tại hiện trường, đó là sử dụng búa đập nẩy Schmidt (phương pháp không phá huỷ) và xác định trên máy nén mẫu không định hình (BU-39) (phá huỷ mẫu). 1. Giới thiệu búa đập nẩy Schmidt.

Búa đập nẩy Schmidt là loại thiết bị thí nghiệm hiện trường, được sử dụng chủ yếu để xác định độ bền nén của bêtông, cấu tạo của búa được thể hiện trên hình 1.

Phụ thuộc vào loại và độ bền của bêtông như bêtông liền khối, bêtông đúc sẵn, bêtông phun hay bêtông siêu nặng, bêtông nặng, bêtông nhẹ hay bêtông xốp v.v… Một số hãng sản xuất thiết bị như PROCEQ, DRC hay TECNOTEST v.v… đã sản xuất một số loại búa và được phân loại như sau:

Loại NTrên thị trường đang phổ biến hai loại thiết bị, loại hiện số trên thang đo không tự ghi (N) và

tự ghi (NR). Loại N, với năng lượng đập 2,207Nm, được sử dụng khá phổ biến trong việc xác định độ bền nén dọc trục của bêtông liền khối từ 10 - 70N/mm2 (10 - 70MPa). Loại NR tự ghi (R - record) (DIGI Schmidt), các số liệu được truyền đến bộ nhớ trên búa và truyền đến máy in, sử dụng cho các loại bêtông có độ bền từ 10 - 70N/mm2, năng lượng đập của búa = 2,207Nm. Hình ảnh búa Schmidt loại N, tự ghi, trên hình 2, đặc tính kỹ thuật của búa Schmidt loại N giới thiệu tại bảng 1.

1

Bảng1. Đặc tính kỹ thuật của búa đập nẩy Schmidt N

Hãng sản xuất TECNOTEST PROCEQ DRCMã hiệu ECTHA PLUS PRONăng lượng đập 2,207Nm 2,207Nm 2,207NmPhạm vi đo 10 70N/mm2 10 70N/mm2 10 120N/mm2

Lưu số liệu không tự ghi không tự ghi tự ghiKích thước 55x55x250(h)mm 55x55x250(h)mm 90x55x250(h)mmTrọng lượng 1,2kg 1,6kg 3,2kg

1- Đầu đập, 2- Quả đập, 3- Lò so nén, 4-Chốt khoá lò so, 5- Lò so nén tạo lực đập, 6- Thanh dẫn hướng, 7- Đĩa hãm, 8- Bảng chỉ thị trị số tần suất đập, hoặc băng chỉ thị điện tử, 9- Tấm che bảng hiện số đối với

máy không tự ghi, 10- Khoá hãm quả đập, 11- Vỏ búa, 12 - Chốt hãm lò so đập.

Hình 1. Cấu tạo búa Schmidt loại N

(a)- Loại không tự ghi số liệu (b) – Loại tự ghi số liệu

Hình 2. Hình ảnh một số búa Schmidt loại NLoại LBúa Schmidt loại L là loại thiết bị nhẹ, dùng trong việc xác định độ bền của các tấm bêtông

có chiều dày từ 50 đến 100mm, cũng có hai loại, không tự ghi (LB) và ghi lưu số liệu đo (LR). Hình ảnh búa Schmidt loại L trên hình 3, đặc tính kỹ thuật của búa loại L được giới thiệu trong bảng 2.

Loại LB, với năng lượng đập 0,735Nm, sử dụng để xác định độ bền bêtông từ 10 - 70N/mm2, chủ yếu để xác định độ bền của bêtông nhẹ, bêtông xốp và vữa.

Loại LR là loại tự ghi số liệu và tuyền số liệu đến máy in, có đặc tính tương tự như loại không tự ghi để xác định độ bền bêtông từ 10 70N/mm2

. Năng lượng đập của búa 0,735Nm.Bảng 2. Đặc tính kỹ thuật của búa Schmidt loại L

Hãng sản xuất PROCEQ PROCEQLoại SILVERSCHMIDT-L SILVERSCHMIDT-LNăng lượng đập 0,735Nm 0,735NmPhạm vi đo 10 70N/mm2 10 70N/mm2

2

Lưu số liệu không tự ghi tự ghiKích thước 55x55x250(h)mm 55x55x250(h)mmTrọng lượng 600g 600g

Hình 3. Hình ảnh búa Schmidt loại L (không tự ghi số liệu) Loại M Búa Schmidt loại M là loại thiết bị nặng, với năng lượng đập lớn, đến 29,5Nm, được sử dụng

để xác định độ bền của bêtông mặt đường, sân bay, cầu đường, nền móng và các kết cấu khác. Loại này ít xuất hiện tại Việt Nam

Loại PBúa Schmidt loại P với năng lượng đập nhỏ 0,88 Nm, sử dụng để xác định độ bền của

bêtông và vật liệu có độ bền thấp và độ cứng thấp, như bêtông bọt, bêtông bọt khí, phạm vị đo 2 30 N/mm2 . Trong đó loại PT với phạm vi xác định độ bền trong khoảng 0,2 5 N/mm2 và loại PM sử dụng để xác định độ bền của vữa xây và trát tường (hình 4).

Loại PT Loại PMHình 4. Búa Schmidt loại P

2. Sử dụng búa Schmidt để xác định độ bền của đá trầm tích.Như trình bày trên, búa đập nẩy Schmidt sử dụng để xác định độ bền nén của bêtông dựa

trên động năng của quả đập được gia lực bởi lò xo tại đuôi búa, khi quả đập va chạm vào mặt mẫu lập tức bị bật trở lại, vật có độ bền hay độ cứng càng cao thì độ nẩy và tần suất của quả đập dao động càng lớn. Bảng chỉ thị gắn trên vỏ búa thể hiện chỉ số đập và độ bật nẩy của quả đập. Để xác định được độ bền của vật liệu phải tiến hành ít nhất 12 lần thử cho một điểm [7] để tìm ra mối liên hệ giữa số lần đập tương xứng với độ bền của vật liệu.

Để búa Schmidt hoạt động tốt, đảm bảo tin cậy, búa cần được bảo quản và kiểm tra hoạt động sau 1000 lần sử dụng. Để kiểm tra hoạt động của búa, trong hộp đựng búa luôn có kèm theo một chiếc đe và một cục mài (hình 5). Đe được dùng để búa đập vào khi thử và cục mài để làm nhẵn bề mặt vật cần xác định độ bền.

3

Hình 5. Kiểm tra hoạt động của búa Schmidt và làm vệ sinh, mài bề mặt mẫuBúa đập nẩy Schmidt làm việc theo phương pháp nén điểm, cho nên để bề mặt vật thử tiếp xúc

đều với đầu đập, trước khi đưa búa để thử cần làm nhẵn và làm phẳng bề mặt.Các chỉ số đập được ghi chép để xác định mối tương quan giữa độ bền và chỉ số đập, hoặc xác

định mối liên hệ giữa chỉ số đập với tốc độ truyền sóng âm. Các mẫu sau khi xác định bằng búa Schmidt đem nén phá huỷ để xác định độ bền thực tế.

Trong trường hợp xác định độ bền của bêtông liền khối, thi công tại chỗ, hay của đá mỏ, không phải lúc nào búa cũng tác động theo hướng thẳng đứng từ trên xuống mà có thể nằm ngang, hay nghiêng so với bề mặt mẫu. Do hoạt động của búa Schmidt là sự va đập bật nẩy của quả đập nên tần suất đập của quả đập khác nhau theo hướng tác động. Vì vậy, để kết quả xác định độ bền bằng búa Schmidt một cách trung thực, cần chuyển đổi kết quả độ bền theo phương tác động của búa (hình 6).

Hình 6. Bảng tra chuyển đổi kết quả độ bền của vật thử theo phương tác động của búaCác bảng tra kết quả chỉ số đập và tra độ bền trên thân búa Schmidt với các loại như N, L, P,

v.v… mà các nhà sản xuất đã giới thiệu đều được thực hiện cho vật liệu chủ yếu là bêtông. Như vậy, để sử dụng búa Schmidt trong ngành mỏ cần phải tiến hành các thí nghiệm trong phòng, với số lượng mẫu đại diện cho từng vùng địa chất (Quảng Ninh, Thái Nguyên, Nghệ An, Quảng Nam, Đồng bằng sông Hồng v.v…) để có thể chuyển đổi số đo trên búa thành số liệu về độ bền của các loại đá.

Thí dụ để sử dụng búa Schmidt N xác định độ bền bêtông liền khối, Bock &nnk (2005) [3] đã làm 57 lần thí nghiệm trên mẫu bêtông kích thước 150x150x150 và 30 mẫu gạch kích thước 65x65x65. Trước khi nén phá huỷ, người ta sử dụng búa Schmidt N và máy đo siêu âm. Sau đó mới nén phá huỷ trên máy nén MTS-810 NEW. Từ kết quả thử tác giả đã lập mối quan hệ giữa độ bền nén với kết quá thử nghiệm trên búa theo công thức (1) và (2) sau:

Độ bền theo mẫu nén:

(1)Độ bền theo siêu âm: (2)Hay tổng hợp cả hai trường hợp cho kết quả, công thức (3)

(3)Trong đó:fc - Độ bền nén của mẫu bêtông, MPa;L - Số lần đập trên búa Schmidt, lần; - Tốc độ truyền sóng âm, km/giây.

4

Độ bền của bêtông hay đá mỏ phụ thuộc vào tuổi của bêtông cũng như độ ẩm của mẫu. Bằng kết quả kiểm tra trong các điều kiện thời gian và độ ẩm khác nhau Bock S. [3] đã đưa ra mối quan hệ giữa độ bền với tuổi bêtông và độ ẩm theo công thức (4)

(4)Trong đó:fc - Độ bền nén của bêtông, MPa;Q - Chỉ số số lần đập thể hiện tại bảng trên thân búa, lần;1 - Chỉ số phụ thuộc vào tuổi của bêtông, bảng 3;2 - chỉ số phụ thuộc vào độ ẩm của bêtông, bảng 4;C - hệ số tương quan, tính theo công thức 5.

(5)Trong đó:C - Hệ số tương quan;fc.test - Độ bền của mẫu thử;fc - Độ bền lấy theo hàm tương quan.

Bảng 3. Giá trị 1 và tuổi của bêtôngTuổi bêtông 10 20 28-100 150 200 300 360 500 1000

1 1,20 1,04 1,00 0,92 0,86 0,78 0,75 0,70 0,60Bảng 4. Giá trị 2 và độ ẩm của bêtông

Độ ẩm bêtông bão hoà nước nửa khô khô hoàn toàn2 1,12 1,00 0,96

Trong quá trình xác định độ bền của vật cần xác định do số điểm xác định lớn, muốn số liệu đưa vào tính toán mang tính đại diện [7] cần phải tiến hành xử lý kết quả thử theo trình tự sau:

1- Độ bền trung bình, tính theo (6).

, (6)

2- Xác định độ lệch về độ bền, tính theo (7).

, MPa (7)

3- Tính chỉ số về sự thay đổi độ bền.

(8)

Trong đó:ncorr - số lượng điểm hoặc mẫu xác định độ bền;fci - độ bền tại điểm hay mẫu thứ i;fcm - độ bền của mẫu thử.Để xác định độ bền của đá mỏ bằng búa Schmidt, nhiều tác giả tiến hành thí nghiệm và đưa

ra những công thức tính độ bền tại bảng 5.Bảng 5. Giới thiệu một số kết quả xác định độ bền của đá trầm tích [1]

Tác giả Hàm tương quan r Các giá trị xác địnhLoại đá c RL

Aufmuth (1973) 0,80 trầm tích 16 - 362 10 - 54

Cargill&Shakoor(1990) 0,930,98

cát kếtthan

35-2714-135

27-4915-70

5

Deere & Miller(1966) 0,940,88

28 loại đá trầm tích 22 - 358 23 - 59

Kidybinski (1980) than, sét, bột, cát kết - -

Yilmaz& Sendir (2002) 0,950,96

đá vôi, cát kết 11- 259 24-73

Trong đó: c - Độ bền nén, MPa; Et - Mô đun Young GPa, - Trọng lượng riêng của đá, g/cm3. RL - Số lần đập trên búa, r - Hệ số hồi qui.

Việc sử dụng các công thức trên rất không thuận lợi, nên [4] đã lập biểu đồ để xác định độ bền và các mối liên hệ khác như góc tiếp cận giữa trục búa, trọng lượng thể tích của đá v.v…theo biểu đồ hình 7.

Hình 7. Biểu đồ tra độ bền và độ đập nẩy của búa Schmidt -

6

Tóm lại:-Xác định độ bền của đá mỏ bằng phương pháp không phá huỷ tại hiện trường bằng búa

Schmidt giúp cho cán bộ kỹ thuật mỏ có những quyết định đúng đắn phục vụ thiết kế, chỉ đạo thi công đào, chống lò, quyết định khoảng cách chống, thời gian không cần chống, sử dụng vật liệu và kết cấu chống phù hợp.

-Mỗi thiết bị thí nghiệm đều có những ưu điểm và hạn chế. Việc sử dụng búa đập nẩy Schmidt chỉ hiệu quả và thực sự có tác dụng khi được chuyển đổi một cách chính xác thông qua các mẫu nén. Đây là việc làm hết sức cần thiết cần được quan tâm khi sử dụng búa Schmidt trong ngành mỏ.

-Việc sử dụng búa Schmidt để xác định độ bền của đá mỏ chỉ phản ánh đúng số liệu đo, đặc điểm khối đá khi có các kiểm nghiệm và thử nghiệm cho các khu vực mỏ khác nhau./.

Tài liệu tham khảo:1. Aydin A., Basu A. The Schmidt hammer in rock material characterization, Departament of Earth

Sciences, the University of Hong Kong, Pokfulam HongKong, 20052. Bilgin N. Dincer T. Copor H. The performance prediction of impact hammer from Schmidt hammer

rebound values in Istabul metro tunnel drivages- Istabul technical university mining engineering departament Marslak Istabul Turkey- 2002

3. Bock S. H. Metody badan wytrzymalosciowych obudowy szybow kopalnianych – Prace naukowe GIG Gornictwo i Srodowisko – Kwatarnik 3/2009

4. Torabi S.R. Sereshki F. Zare M. Javanshir M. An empirical approach in prediction of the roof rock strength in underground coal mine – the AusIMM Illwarra Brach – Coal operators conference 2007

5. SilverSchmidt-N – Laboratorium konstrukcji betonow – Katedra konstrukcji budowlanych Pol Warszawy – Pol. 2010

6. Mlotek Schmidt do Betonu seria N/L . material z internetu 20127.Tiêu chuẩn (PN) Ba Lan về sử dụng búa Schmidt N để xác định độ bền bêtông: PN-74/B-06262

Nieniszczące badania konstrukcji z betonu Metoda sklerometryczna badania wytrzymałoPści betonu na ściskanie za pomocą młotka Schmidta typu N

7