Published March 4, 2024
| Version v1
Publication
Experimental study on the quasi-static and dynamic tensile behaviour of thermally treated Barakar sandstone in Jharia coal mine fire region, India
- 1. Indian Institute of Technology Roorkee
- 2. Central Building Research Institute
Description
In the present study, the effect of mild to high-temperature regimes on the quasi-static and dynamic tensile behaviours of Barakar sandstone from the Jharia coal mine fire region has been experimentally investigated. The experimental work has been performed on Brazilian disk specimens of Barakar sandstone, which are thermally treated up to 800 °C. The quasi-static and dynamic split tensile strength tests were carried out on a servo-controlled universal testing machine and Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB), respectively. Microscopic and mineralogical changes were studied through a petrographic investigation. The experimental results suggest the prevalence of both, static and dynamic loading scenarios after 400 °C. Up to 400 °C, the quasi-static and dynamic tensile strengths increased due to the evaporation of water, which suggests a strengthening effect. However, beyond 400 °C, both strengths decreased significantly as newly formed thermal microcracks became prevalent. The dynamic tensile strength exhibits strain rate sensitivity up to 400 °C, although it shows a marginal decline in this sensitivity beyond this temperature threshold. The Dynamic Increase Factor (DIF) remained constant up to 400 °C and slightly increased after 400 °C. Furthermore, the characteristic strain rate at which the dynamic strength becomes twice the quasi-static strength remains consistent until reaching 400 °C but steadily decreases beyond this temperature. This experimental study represents the first attempt to validate the Kimberley model specifically for thermally treated rocks. Interestingly, the presence of water did not have a significant impact on the failure modes up to 400 °C, as the samples exhibited a dominant tensile failure mode, breaking into two halves with fewer fragments. However, as temperature increased, the failure behaviours became more complex due to the combined influence of thermally induced microcracks and the applied impact load. Cracks initially formed at the centre and subsequently, multiple shear cracks emerged and propagated in the loading direction, resulting in a high degree of fragmentation. This study also demonstrates that shear failure is not solely dependent on the loading rate but can also be influenced by temperature, further affecting the failure mode of the sandstone.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
في هذه الدراسة، تم التحقيق تجريبياً في تأثير أنظمة درجات الحرارة الخفيفة إلى العالية على سلوكيات الشد شبه الساكنة والديناميكية للحجر الرملي باراكار من منطقة حرائق مناجم الفحم في جهاريا. تم تنفيذ العمل التجريبي على عينات القرص البرازيلي من الحجر الرملي باراكار، والتي يتم معالجتها حرارياً حتى 800 درجة مئوية. تم إجراء اختبارات قوة الشد المنقسمة شبه الثابتة والديناميكية على آلة اختبار عالمية يتم التحكم فيها بواسطة المؤازرة وقضيب ضغط سبليت هوبكنسون (SHPB)، على التوالي. تمت دراسة التغيرات المجهرية والمعدنية من خلال التحقيق الصخري. تشير النتائج التجريبية إلى انتشار كل من سيناريوهات التحميل الثابتة والديناميكية بعد 400 درجة مئوية. حتى 400 درجة مئوية، زادت مقاومة الشد شبه الساكنة والديناميكية بسبب تبخر الماء، مما يشير إلى تأثير تقوية. ومع ذلك، بعد 400 درجة مئوية، انخفضت كلتا نقطتي القوة بشكل كبير حيث أصبحت الشقوق الدقيقة الحرارية المشكلة حديثًا سائدة. تُظهر مقاومة الشد الديناميكية حساسية لمعدل الإجهاد تصل إلى 400 درجة مئوية، على الرغم من أنها تُظهر انخفاضًا هامشيًا في هذه الحساسية يتجاوز عتبة درجة الحرارة هذه. ظل عامل الزيادة الديناميكي ثابتًا حتى 400 درجة مئوية وزاد قليلاً بعد 400 درجة مئوية. علاوة على ذلك، يظل معدل الانفعال المميز الذي تصبح فيه القوة الديناميكية ضعف القوة شبه الساكنة ثابتًا حتى تصل إلى 400 درجة مئوية ولكنه ينخفض باطراد إلى ما بعد درجة الحرارة هذه. تمثل هذه الدراسة التجريبية المحاولة الأولى للتحقق من صحة نموذج كيمبرلي على وجه التحديد للصخور المعالجة حرارياً. ومن المثير للاهتمام أن وجود الماء لم يكن له تأثير كبير على أوضاع الفشل حتى 400 درجة مئوية، حيث أظهرت العينات وضع فشل الشد السائد، حيث تم تقسيمها إلى نصفين مع عدد أقل من الشظايا. ومع ذلك، مع زيادة درجة الحرارة، أصبحت سلوكيات الفشل أكثر تعقيدًا بسبب التأثير المشترك للشقوق الدقيقة المستحثة حراريًا وحمل الصدم المطبق. تشكلت الشقوق في البداية في المركز وبعد ذلك، ظهرت تشققات قص متعددة وانتشرت في اتجاه التحميل، مما أدى إلى درجة عالية من التشظي. توضح هذه الدراسة أيضًا أن فشل القص لا يعتمد فقط على معدل التحميل ولكن يمكن أن يتأثر أيضًا بدرجة الحرارة، مما يؤثر بشكل أكبر على وضع فشل الحجر الرملي.Translated Description (French)
Dans la présente étude, l'effet des régimes de température légère à élevée sur les comportements de traction quasi-statiques et dynamiques du grès de Barakar de la région d'incendie de la mine de charbon de Jharia a été étudié expérimentalement. Le travail expérimental a été effectué sur des spécimens de disques brésiliens de grès de Barakar, qui sont traités thermiquement jusqu'à 800 °C. Les essais de résistance à la traction fractionnée quasi-statique et dynamique ont été réalisés sur une machine d'essai universelle servocommandée et une barre de pression Split Hopkinson (SHPB), respectivement. Les changements microscopiques et minéralogiques ont été étudiés à travers une investigation pétrographique. Les résultats expérimentaux suggèrent la prévalence des scénarios de chargement statique et dynamique après 400 °C. Jusqu'à 400 °C, les résistances à la traction quasi-statiques et dynamiques ont augmenté en raison de l'évaporation de l'eau, ce qui suggère un effet de renforcement. Cependant, au-delà de 400 °C, les deux forces ont diminué de manière significative à mesure que les microfissures thermiques nouvellement formées devenaient répandues. La résistance à la traction dynamique présente une sensibilité à la vitesse de déformation jusqu'à 400 °C, bien qu'elle montre une diminution marginale de cette sensibilité au-delà de ce seuil de température. Le facteur d'augmentation dynamique (DIF) est resté constant jusqu'à 400 °C et a légèrement augmenté après 400 °C. En outre, la vitesse de déformation caractéristique à laquelle la résistance dynamique devient deux fois plus élevée que la résistance quasi-statique reste constante jusqu'à ce qu'elle atteigne 400 °C, mais diminue régulièrement au-delà de cette température. Cette étude expérimentale représente la première tentative de validation du modèle de Kimberley spécifiquement pour les roches traitées thermiquement. Fait intéressant, la présence d'eau n'a pas eu d'impact significatif sur les modes de rupture jusqu'à 400 °C, car les échantillons présentaient un mode de rupture par traction dominant, se brisant en deux moitiés avec moins de fragments. Cependant, à mesure que la température augmentait, les comportements de défaillance devenaient plus complexes en raison de l'influence combinée des microfissures induites thermiquement et de la charge d'impact appliquée. Des fissures se sont initialement formées au centre et par la suite, de multiples fissures de cisaillement ont émergé et se sont propagées dans la direction de chargement, entraînant un degré élevé de fragmentation. Cette étude démontre également que la rupture par cisaillement ne dépend pas uniquement du taux de chargement, mais peut également être influencée par la température, affectant davantage le mode de rupture du grès.Translated Description (Spanish)
En el presente estudio, se ha investigado experimentalmente el efecto de los regímenes de temperatura leve a alta en los comportamientos de tracción casi estáticos y dinámicos de la arenisca de Barakar de la región de incendios de la mina de carbón de Jharia. El trabajo experimental se ha realizado en muestras de disco brasileño de arenisca de Barakar, que se tratan térmicamente hasta 800 °C. Las pruebas de resistencia a la tracción dividida cuasiestática y dinámica se llevaron a cabo en una máquina de prueba universal servocontrolada y en una barra de presión Hopkinson dividida (SHPB), respectivamente. Los cambios microscópicos y mineralógicos se estudiaron a través de una investigación petrográfica. Los resultados experimentales sugieren la prevalencia de escenarios de carga tanto estática como dinámica después de 400 °C. Hasta 400 °C, las resistencias a la tracción casi estáticas y dinámicas aumentaron debido a la evaporación del agua, lo que sugiere un efecto de fortalecimiento. Sin embargo, más allá de 400 °C, ambas resistencias disminuyeron significativamente a medida que las microgrietas térmicas recién formadas se hicieron frecuentes. La resistencia a la tracción dinámica exhibe una sensibilidad a la velocidad de deformación de hasta 400 °C, aunque muestra una disminución marginal en esta sensibilidad más allá de este umbral de temperatura. El factor de aumento dinámico (DIF) se mantuvo constante hasta 400 °C y aumentó ligeramente después de 400 °C. Además, la tasa de deformación característica a la que la resistencia dinámica se convierte en el doble de la resistencia cuasiestática permanece constante hasta alcanzar los 400 °C, pero disminuye constantemente más allá de esta temperatura. Este estudio experimental representa el primer intento de validar el modelo de Kimberley específicamente para rocas tratadas térmicamente. Curiosamente, la presencia de agua no tuvo un impacto significativo en los modos de falla hasta 400 °C, ya que las muestras exhibieron un modo de falla de tracción dominante, rompiéndose en dos mitades con menos fragmentos. Sin embargo, a medida que aumentaba la temperatura, los comportamientos de falla se volvieron más complejos debido a la influencia combinada de microgrietas inducidas térmicamente y la carga de impacto aplicada. Inicialmente se formaron grietas en el centro y posteriormente, surgieron múltiples grietas de cizallamiento y se propagaron en la dirección de carga, dando como resultado un alto grado de fragmentación. Este estudio también demuestra que la falla por cizallamiento no depende únicamente de la tasa de carga, sino que también puede verse influenciada por la temperatura, lo que afecta aún más el modo de falla de la arenisca.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- دراسة تجريبية حول سلوك الشد شبه الساكن والديناميكي للحجر الرملي باراكار المعالج حرارياً في منطقة حرائق مناجم الفحم في جهاريا، الهند
- Translated title (French)
- Étude expérimentale sur le comportement en traction quasi-statique et dynamique du grès de Barakar traité thermiquement dans la région d'incendie de la mine de charbon de Jharia, Inde
- Translated title (Spanish)
- Estudio experimental sobre el comportamiento de tracción cuasiestático y dinámico de la arenisca de Barakar tratada térmicamente en la región de incendios de la mina de carbón de Jharia, India
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4392361960
- DOI
- 10.1038/s41598-024-54199-2
References
- https://openalex.org/W1834981214
- https://openalex.org/W1917209107
- https://openalex.org/W1967490908
- https://openalex.org/W1968130558
- https://openalex.org/W1971036973
- https://openalex.org/W1973392354
- https://openalex.org/W1976886821
- https://openalex.org/W1982861247
- https://openalex.org/W1989981274
- https://openalex.org/W2005962468
- https://openalex.org/W2023577171
- https://openalex.org/W2024284387
- https://openalex.org/W2026504224
- https://openalex.org/W2033343521
- https://openalex.org/W2066179554
- https://openalex.org/W2066906391
- https://openalex.org/W2073946281
- https://openalex.org/W2082526859
- https://openalex.org/W2086900437
- https://openalex.org/W2092266576
- https://openalex.org/W2093980687
- https://openalex.org/W2121827315
- https://openalex.org/W2135444501
- https://openalex.org/W2218612736
- https://openalex.org/W2219477971
- https://openalex.org/W2236774096
- https://openalex.org/W2298856328
- https://openalex.org/W2467869280
- https://openalex.org/W2570695019
- https://openalex.org/W2611896437
- https://openalex.org/W2616955227
- https://openalex.org/W2728377031
- https://openalex.org/W2827087578
- https://openalex.org/W2888502383
- https://openalex.org/W2997095412
- https://openalex.org/W3016174120
- https://openalex.org/W3118729053
- https://openalex.org/W3193974126
- https://openalex.org/W3205195754
- https://openalex.org/W4205765055
- https://openalex.org/W4207002848
- https://openalex.org/W4210435073
- https://openalex.org/W4240383043
- https://openalex.org/W4247096959
- https://openalex.org/W4293100340
- https://openalex.org/W4306874538
- https://openalex.org/W4308631335
- https://openalex.org/W4379203685