Skoči na glavni sadržaj

Nafta i Plin, Vol. 42. No. 172. - 173., 2022.

Izvorni znanstveni članak

Use of Leeb hardness test in the characterization of rock material

Ana Horvat orcid id orcid.org/0000-0002-7686-3422
Zlatko Briševac

Puni tekst: hrvatski pdf 986 Kb

str. 77-84

preuzimanja: 185

citiraj

Preuzmi JATS datoteku

Sažetak

Material hardness is usually defined as resistance to penetration by tools or resistance to permanent indentation in a specimen. It is extremely important to emphasize the empirical nature of this test, so it is not a unambiguously property of the rock. There are many ways and methods to determine hardness. One of them is a method called Leeb hardness, which can be used in a variety of engineering activities. The method was originally applied to metal samples, but has also been used to determine the hardness of rock material. This paper presents tests on rock material from the Kanfanar mining area, where the well-known architectural building stone "Istrian Yellow" or "Giallo d'Istria" is mined. However, Lebb hardness tests on the mantle of the sample can also be performed in oil and gas exploration, so this work contributes to a wider application of simpler tests on rock material, while maintaining the same efficiency.

Ključne riječi

Leeb hardness; rock material; TM12 method; Istrian Yellow; Giallo d’Istria

Hrčak ID:

288024

URI

https://hrcak.srce.hr/288024

Datum izdavanja:

21.9.2022.

Podaci na drugim jezicima: hrvatski

Posjeta: 855 *

Publication date: 21 September 2022

Volume: 42

Issue: 172. - 173.

Pages: 77-84

DOI:

Article Information (continued)

Categories:

Subject: Stručni rad

Categories:

Subject: Professional Paper

Keywords:

Keyword: tvrdoća po Leebu

Keyword: stijenski materijal

Keyword: TM12 metoda

Keyword: Istarski žuti

Keyword: Giallo d’Istria

Keywords:

Keyword: Leeb hardness

Keyword: rock material

Keyword: TM12 method

Keyword: Istrian Yellow

Keyword: Giallo d’Istria

Upotreba Leeb testa tvrdoće za ispitivanje stijenskog materijala

Translated Title (en): Use of Leeb hardness test in the characterization of rock material

[ORCID] Ana Horvat[1]

Email: ana.horvat@rgn.unizg.hr

 

Rudarsko-geološko-naftni fakultet Faculty of Mining, Geology and Petroleum Engineering Pierottijeva ul. 6, 10000, Zagreb

[ORCID] Zlatko Briševac[1][2]

 

Rudarsko-geološko-naftni fakultet Faculty of Mining, Geology and Petroleum Engineering Pierottijeva ul. 6, 10000, Zagreb

Author notes:

Correspondence to: [*] Ana Horvat, Rudarsko-geološko-naftni fakultet, Pierottijeva ul. 6, 10000, Zagreb ana.horvat@rgn.unizg.hr

Abstract

Tvrdoća materijala se uobičajeno definira kao otpor prodiranju alata ili otpor trajnom udubljenju u uzorku. Izuzetno je važno naglasiti empirijski karakter ovog ispitivanja koje zato nije jednoznačno svojstvo stijene te postoji puno načina i metoda određivanja tvrdoće. Jedan od njih je postupak koji se zove tvrdoća po Leebu koja se može koristi u različitim inženjerskim djelatnostima. Metoda je prvotno primijenjena na uzorcima od metala, ali korištena je i za utvrđivanje tvrdoće stijenskog materijala. U ovom radu prikazana su ispitivanja stijenskog materijala uzetog iz eksploatacijskog polja Kanfanar gdje se eksploatira poznati arhitektonsko-građevni kamen zvan „Istarski žuti“ ili „Giallo d’Istria". Međutim ispitivanja tvrdoće po Leebu na plaštu uzorka u obliku jezgre mogu se obavljati i kod istraživanja nafte i plina pa time ovaj rad daje doprinos široj primjeni jednostavnijih ispitivanja na stijenskom materijalu, uz zadržavanje iste učinkovitosti.

Translated Abstract

Material hardness is usually defined as resistance to penetration by tools or resistance to permanent indentation in a specimen. It is extremely important to emphasize the empirical nature of this test, so it is not a unambiguously property of the rock. There are many ways and methods to determine hardness. One of them is a method called Leeb hardness, which can be used in a variety of engineering activities. The method was originally applied to metal samples, but has also been used to determine the hardness of rock material. This paper presents tests on rock material from the Kanfanar mining area, where the well-known architectural building stone "Istrian Yellow" or "Giallo d'Istria" is mined. However, Lebb hardness tests on the mantle of the sample can also be performed in oil and gas exploration, so this work contributes to a wider application of simpler tests on rock material, while maintaining the same efficiency.

Uvod

Tvrdoća je bitan čimbenik u ispitivanju stijenskog materijala koji je po naravi sačinjen od različitih minerala, a količina minerala s niskom ili visokom vrijednošću tvrdoće određuje vrijednost tvrdoće stijenskog materijala (Çelik i Çobanoğlu, 2019). Tvrdoća se u najširem smislu definira kao otpornost minerala ili stijena na prodiranje alata ili trajno udubljenje, ali je pri tome važno naglasiti kako je mjerenje tvrdoće empirijsko ispitivanje i stoga nije jednoznačno svojstvo stijene. Jednostavnije rečeno, primjenjuju se različite metode za određivanje tvrdoće, a iznosi i mjere tvrdoće ovise o metodi ispitivanja. Prema uvjetima primjene i teoretskoj podlozi mjerenja tvrdoće stijenskog materijala mogu se razvrstati u tri klase. Prvu klasu predstavlja Mohosova tvrdoća koja se provodi na bazi usporedbe s Mohsovom ljestvicom tvrdoće. Drugu klasu predstavljaju postupci koji su razvijeni za ispitivanja u laboratoriju i tu se ubrajaju postupci prema Brinellu, Rockwellu, Vickersu, Shoreu i Knoopu. U treću klasu spadaju postupci koji su osmišljeni i najviše se koriste za terensko određivanje tvrdoće. Tu prvenstveno spada Schmidtov postupak, ali i drugi dinamički postupci koji koriste na terenu prikladan uređaj (Hoseinie i dr., 2012; Horvat, 2021). Tvrdoća se u inženjerskoj praksi koristi kao ulazni parametar pri izradi različitih modela za procjenu (Briševac i dr., 2014; Briševac i dr. 2017), zatim za karakterizaciju sedimentnih stijena (Yari i Bagherpour, 2018), kod određivanja performansi za rezanje dijamantnom žicom (Rasti i dr., 2021), kod ocjene rezivosti stijena s lančanom sjekačicom (Mikaeil i dr., 2021). Pored toga tvrdoća ima utjecaj na usitnjavanje hidrauličnim čekićem i na drobljenje u čeljusnoj drobilici (Kujundžić i dr., 2008). Ovaj stručni rad nastao je kao nastavak ispitivanja po temi završnog rada (Horvat, 2021) gdje je opisan dinamički način određivanja tvrdoće po Leebu. On se provodi pomoću uređaja koji se može koristiti u laboratoriju, ali je pogodan i za terenska istraživanja. Test tvrdoće po Leebu (engl. Leeb Hardness Test, LHT) provodi se pomoću prenosivog uređaja koji je 1975. godine predstavio Dietmar Leeb (Leeb, 1979) i originalno je razvijen za mjerenje tvrdoće metalnih materijala. On se ponekad naziva samo Equotip, prikladan je za terensku primjenu zbog svoje isplativosti, jednostavnosti, vrlo lake prenosivosti i zadovoljavajuće procjene (Corkum, i dr., 2018). Postoje mnogi standardi za određivanje Leeb tvrdoće pa i Američko društvo za testiranje i materijale (engl. American Society for Testing and Materials, ASTM) ima standard za metodologiju ispitivanja na metalnim proizvodima. Međutim, ti standardi nisu primjenjivi za ispitivanje stijenskog materijala, stoga ni Međunarodno društvo za mehaniku stijena (engl. International Society for Rock Mechanics, ISRM) još nema predloženu metodu za LHT jer je tek naknadno postupak Leeb tvrdoće počeo biti korišten prvenstveno u svrhu procjene jednoosne tlačne čvrstoće (σc) intaktnog stijenskog materijala (Kompatscher, 2004). U međuvremenu su mnogi autori proučavali upotrebu LHT-a na stijenskom materijalu i neki su sugerirali testiranje metoda i korelacijskih jednadžbi između Leeb tvrdoće i jednoosne tlačne čvrstoće (Asef, 1995; Meulenkamp, 1997; Verwaal i Mulder, 1993; Aoki i Matsukara, 2008; Lee i dr., 2014; Yilmaz, 2013; Viles i dr., 2011; Briševac i dr., 2016). Najvećim dijelom korelacije su sadržavale ograničenja u smislu ispitivanja na specifičnom stijenskom materijalu ili su bile bazirane na malom broju rezultata ispitivanja. To je osnovni razlog zašto još uvijek ne postoji dobro uspostavljena procedura za korištenje LHT-a i njegovu uporabu za procjenu σc stijene. Treba naglasiti kako metodologija testiranja LHT-a koristi D-tip sonde Leeb uređaja jer se ona općenito smatra standardnom za korištenje kod ispitivanja stijenskog materijala. Relativno niska energija udara ovaj uređaj čini primjenjivim na trošnije, ali i na svježe uzorke. LHT je primjenjiv na stijene koje imaju jednoosnu tlačnu čvrstoću u rasponu od 5 do 280 MPa pa se stoga smatra pogodnim za primjenu u širem rasponu tvrdoće stijena od Schmidtovog čekića. Važno je naglasiti primjenu LHT uređaja za procjenu stijenske čvrstoće, procjenu vremenskih utjecaja na propadanje stijenskih površina (Corkum i dr., 2018; Horvat, 2021), ali i u istraživanjima vezanim uz naftu i plin (Ghanizadeh i dr., 2014; Sonnenfeld i dr., 2015; Morrell i dr., 2017; Liu i dr., 2020). Glavni cilj ovog rada je prikazati metodologiju ispitivanja tvrdoće po Leebu na plaštu uzoraka u obliku jezgre koja se može primijeniti i u istraživanju nafte i plina npr. kod interpretacije jezgri istražnih bušotina. Tako dobiveni rezultati su uspoređivani s rezultatima ispitivanja tvrdoće na bazama uzorka (Horvat, 2021) kako bi se utvrdile moguće razlike u rezultatima.

Metode

Metode korištene u izradi rada.

Rezultati

Tekst rezultata

Rasprava

Tekst

References

1. 

ANAN S. , author. 1997.Application of rebound hardness tester to rock material: an attempt to material classification. Proceeding conference on the Japan Society of Engineering Geology, Chugoku-Shikoku Dist. ():15–18

2. 

AOKI H.; ; MATSUKARA Y. , authors. 2008."Estimating the unconfined compressive strength of intact rocks from Equotip hardness". Bull Enf Geol Environ. https://doi.org/10.1007/s10064-007-0116-z67(1):23–29

3. 

ASEF M.R. , author. 1995."Eqoutip as an index test for rock strength properties". Desertation. ITC Delft. ():

4. 

, author. 2020."Bejing TIME High Technology Ltd. Integrated Hardness Tester Time 5100". Instruction Manual V20120517. ():

5. 

BRIŠEVAC Z. , author. 2012."Model međuovisnosti fizikalno-mehaničkih značajki karbonatnih stijena". Doktorska disertacija, Rudarsko-geološko-naftni fakultet, Zagreb. ():

6. 

BRIŠEVAC Z.; ; KUJUNDŽIĆ T.; ; JUTRIŠA B. , authors. 2014."Utjecaj saturiranosti na jednoosnu tlačnu čvrstoću vapnenca iz istražnog prostora Crnoglav kod Neuma". Rudarsko-geološko-naftni zbornik. https://hrcak.srce.hr/134976():

7. 

BRIŠEVAC Z.; ; HRŽENJAK P.; ; BULJAN R. , authors. 2016."Modeli za procjenu jednoosne tlačne čvrstoće i modula elastičnosti". Građevinar. 68.(1):19–28

8. 

BRIŠEVAC Z.; ; HRŽENJAK P.; ; COTMAN I. , authors. 2017."Estimate of Uniaxial Compressive Strength and Young's Modulus of the Elasticity of Natural Stone Giallo d’Istria. ur. Konicek, P., Soucek, K., Konecny, P.". Procedia Engineering. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.05.201191.():

9. 

ÇELIK S.B.; ; ÇOBANOĞLU I. , authors. 2019."Comparative investigation of Shore, Schmidt, and Leeb hardness tests in the characterization of rock materials". Environ Earth Sci. https://doi.org/10.1007/s12665-019-8567-7():

10. 

CORKUM A.G.; ; ASIRI Y.; ; EL NAGGAR G.; ; KINAKIN D. , authors. 2018."The Leeb Hardness Test for Rock: An Updated Methodology and UCS Correlation". Rock Mehchanics and Rocks Enginneering. https://doi.org/10.1007/s00603-017-1372-2():

11. 

FRANKLIN J.A. , author. 1979."Suggest Methods for Determining Water Content, Porosity, Density, Absorption and Related Properties and Swelling and Slake-Durability Indeks Properties". International Journal of Rock Mechanics and Mining Science and Geomechanics Abstracts. ():141–156

12. 

GHANIZADEH A.; ; AQUINO S.; ; CLARKSON C.R.; ; HAERI-ARDAKANI O.; ; SANEI H. , authors. 2014."Petrophysical and Geomechanical Characteristics of Canadian Tight Oil and Liquid-Rich Gas Reservoirs". SPE/CSUR Unconventional Resources Conference – Canada, Calgary, Alberta, Canada. https://doi.org/10.2118/171633-MS():

13. 

HOEK E.; ; BROWN E.T. , authors. 1980."Underground excavations in rock". London: The Institution of Mining and Metallurgy. ():

14. 

HORVAT A. , author. 2021."Leeb test tvrdoće za stijenski materijal". London:Završni rad, Rudarsko-geološko-naftni fakultet, Zagreb. ():

15. 

HOSEINIE S.H.; ; ATAEI M.; ; MIKAIEL R. , authors. 2012."Comparison of Some Rock Hardness Scales Applied in Drillability Studies". London:Arab J Sci Eng. https://doi.org/0.1007/s13369-012-0247-9():

16. 

HRŽENJAK P.; ; BRIŠEVAC Z. , authors. 2009."Upute i predlošci za laboratorijske Vježbe i programe iz mehanike stijena". London:Zagreb: Rudarsko-geološko-naftni fakultet. https://doi.org/0.1007/s13369-012-0247-9():

17. 

KOMPATSCHER M. , author. 2004."Equotip-rebound hardness testing after D. Leeb". London:Conference on hardness measurements theory and application in laboratories and industries. Hardmeko. ():

18. 

KUJUNDŽIĆ T.; ; BEDEKOVIĆ G.; ; KUHINEK D.; ; KORMAN T. , authors. 2008."Impact of rock hardness on fragmentation by hydraulic hammer and crushing in jaw crusher". Rudarsko-geološko-naftni zbornik. https://hrcak.srce.hr/3048520(1):83–90

19. 

LEE J.S.; ; SMALLWOOD L.; ; MORGAN E. , authors. 2014."New application of rebound hardness numbers to generate logging of unconfined compressive strengtg in laminted shale formations". 48th US rock mechanics/geomechanics symposium. ():

20. 

LEEB D. , author. 1979."New dynamic method for hardness testing of metallic materials". Revista de Metalurgia. 15(1):57–63

21. 

LIU B.; ; SCHIEBER J.; ; MASTALERZ M.; ; TENG J. , authors. 2020."Variability of rock mechanical properties in the sequence stratigraphic context of the Upper Devonian New Albany Shale". Illinois Basin. Marine and Petroleum Geology. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2019.104068():

22. 

MEULENKAMP F. , author. 1997."Improving the prediction of the UCS by Eqoutip reading using statistical and neural network models". Mem Centre Eng Geol Neth. ():

23. 

MIKAEIL R.; ; ESMAILZADEH A.; ; AGHAEI S.; ; SHAFFIEE HAGHSHENAS S.; ; JAFARPOUR A.; ; MOHAMMADI J.; ; ATAEI M. , authors. 2021."Evaluating the Sawability of Rocks by Chain-Saw Machines Using the PROMETHEE Technique". Rudarsko-geološko-naftni zbornik. https://doi.org/10.17794/rgn.2021.1.3():

24. 

MORRELL A.; ; NARASIMHAN S.; ; ROWE H.; ; MAINALI P. , authors. 2017."Characterization of Sub-Log Scale Variability in Mudstones and the Effects of Variable Sampling Scales on High Resolution Models; Examples From Bone Spring Formation, West Texas.". Paper presented at the SPE/AAPG/SEG Unconventional Resources Technology Conference, Austin, Texas, USA. https://doi.org/10.15530/URTEC-2017-2695114():

25. 

OKAWA S.; ; OHOKA M.; ; FUNATO A. , authors. 1999."Application of hardness tester to rock specimens". Proceedings of the 29th symoposium of rock mechanics. ():

26. 

RASTI A.; ; RANJKESH ADARMANABADI H.; ; SAHLABADI M.R. , authors. 2021."Effects of Controllable and Uncontrollable Parameters on Diamond Wire Cutting Performance Using Statistical Analysis". A Case Study. Rudarsko-geološko-naftni zbornik. https://doi.org/10.17794/rgn.2021.4.3():

27. 

SONNENFELD M.D.; ; OHLSON C.; ; ZAHM C.; ; ODEGARD M.E. , authors. 2015."The Impact of Multiple, Thin Bentonites on Proppant Placement and Effective Fracture Continuity Within the Niobrara Formation, Weld County, Colorado". Unconventional Resources Technology Conference, San Antonio, Texas, USA. https://doi.org/10.15530/URTEC-2015-2171548():

28. 

VERWAAL W.; ; MULDER A. , authors. 1993."Estimating rock strengtg with the Equotip hardness tester". Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr. ():

29. 

VILES H.; ; GOUDIE A.; ; GRAB S.; ; LALLEY J. , authors. 2011."The use of the Schmidt Hammer and Equotip for rock hardness assessment in geomorphology and heritage science: a comparative analysis". Earth Surf Proc Land. 36(3):320–333

30. 

YARI M.; ; BAGHERPOUR R. , authors. 2018."Investigating an Innovative Model for Dimensional Sedimentary Rocks Characterization Using Acoustic Frequencies Analysis During Drilling". Rudarsko-geološko-naftni zbornik. https://doi.org/10.17794/rgn.2018.2.2(33):17–25

31. 

YILMAZ N. , author. 2013."The influence of testing procedures on uniaxial compressive strength predicstion of carvonate rocks from Equotip hardness tester (EHT) and proposal of a new testing methodology". Hybrid dynamic hardness (HDH). Rock Mech Eng. https://doi.org/10.17794/rgn.2018.2.246(1):95–106

32. 

YILMAZ N.; ; GOKTAN R.M. , authors. 2018."Analysis of the Leeb Hardness Test Dana Obtained by Using Two Different Rock Core Holders". . Journal of Natural and Applied Sciences. https://doi.org/10.19113/sdufbed.28343(2):24–31

This display is generated from NISO JATS XML with jats-html.xsl. The XSLT engine is libxslt.