The comparison of the compressive strength of rock in view of requirements according to selected civil engineering standards

• Autorzy: Hydzik-Wiśniewska Joanna , Bednarek Łukasz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2025.155092

Warianty tytułu

PL

Wytrzymałość na ściskanie skał w świetle wymagań norm dla budownictwa

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This study is aimed at analysing the requirements for compressive strength values of rocks used in the universally understood construction industry as stone materials. The compressive strength value obtained in laboratory tests may prove significantly different from the actual compressive strength of a given rock, depending on its application. According to PN-EN 1342:2013, lower expected value must be declared for paving block stone, normalised value for wall components, as per PN-EN 1996-1-1:2023 and PN-EN 771-6:2015, while with respect to stone for hydrotechnical works – structural integrity acc. to PN-EN 13383-1:2003. Despite testing samples in the same manner, e.g. acc. to PN-EN 1926:2007, all these parameters differ with the declared value and, in many cases, significantly differ from the most frequently used average compressive strength value. The analysis involved the results of compressive strength tests performed as per PN-EN 1926:2007, for samples of sandstone, granite, and limestone. The tests were performed for the aforementioned rocks in the air-dry condition, after saturation, and after the frost resistance test. On average, for all rock types, the lower expected value vs. average value was lower: in the air-dry condition by 25%, after saturation by 29%, and after frost resistance test by 37%. Furthermore, in most analysed cases, lower expected value did not exceed minimum compressive strength value. Normalised value in the air-dry condition was by approximately 15% lower than the average value, while after saturation totalled from 10% to 25%, depending on rock type.

PL

Wytrzymałość na ściskanie jest jedną z najważniejszych właściwszości mechanicznych skał wykorzystywanych w szeroko pojętej inżynierii. Parametr ten jest niezbędny przy ocenie właściwości skał, począwszy od rozpoznania geotechnicznego podłoża gruntowego aż do doboru materiałów kamiennych na nawierzchnie drogowe, elementy murowe czy też kamień do robót hydrotechnicznych. Wytrzymałość na ściskanie jest to iloraz największej krytycznej siły ściskającej, niszczącej próbkę do powierzchni jej przekroju poprzecznego. Wartość wytrzymałości na ściskanie skały zależy przede wszystkim od składu mineralnego i fazowego, ale też od oddziaływania środowiska i klimatu. Bardzo istotnym czynnikiem wpływającym na wartość wytrzymałości jest też sposób przeprowadzenia badania oraz interpretacji jego wyniku. Uzyskana w badaniach laboratoryjnych wartość wytrzymałości na ściskanie może okazać się znacząco różna od rzeczywistej wytrzymałości danej skały w zależności od zastosowania. Wytrzymałość naściskanie dla kamienia na kostkę brukową wg PN-EN 1342:2013 powinna być deklarowana jako wartość oczekiwana niższa , dla elementów murowych wg PN-EN 1996-1-1:2023 oraz PN-EN 771-6:2015 jako wartość znormalizowana, natomiast dla kamienia do robót hydrotechnicznych wg PN-EN 13383-1:2003 będzie to tzw. odporność na zniszczenie. Wszystkie te parametry, pomimo, że próbki badane są w ten sam sposób, zwykle wg normy PN-EN 1926:2007, różnią się wartością deklarowaną i w wielu przypadkach znacznie odbiegają od najczęściej stosowanej wartości średniej wytrzymałości na ściskanie. Analizie poddano wyniki badań wytrzymałości na ściskanie, przeprowadzonej zgodnie z normą PN-EN 1926:2007, dla próbek piaskowców, granitów i wapieni. Badania wykonano dla ww. skał w stanie powietrzno-suchym, po nasyceniu i po badaniu mrozoodporności. Średnio dla wszystkich rodzajów skał, wartość oczekiwana niższa w stosunku do wartości średniej wytrzymałości na ściskanie, była niższa: w stanie powietrzno-suchym o 25%, w stanie po nasyceniu o 29%, a po badaniu mrozoodporności o 37%. Ponadto wartość oczekiwana niższa w większości analizowanych przypadków nie przekroczyła wartości minimalnej wytrzymałości na ściskanie. Wartość znormalizowana obliczona z wartości średniej wytrzymałości na ściskanie w stanie powietrzno-suchym była o około 15% niższa od średniej. Natomiast wartość znormalizowana obliczona dla próbek badanych w stanie po nasyceniu była niższa od 10% do 25% w zależności od rodzaju skały i była prawie identyczne jak odporność na zniszczenie dla kamienia do robót hydrotechnicznych. Przeprowadzono analiza wymaganych przez normy przedmiotowe wartości wytrzymałości na ściskanie materiałów kamiennych dla celów budowlanych wskazuje jak ważne jest obliczenie normowego parametru. Wykazano, że wartości normowych parametrów w znaczący sposób różnią sią od najczęściej stosowanych wartości średnich. Ponadto materiały kamienne często charakteryzują się wysoką zmiennością właściwości, nawet w obrębie jednego pola eksploatacyjnego, co skutkuje szczególnie obniżeniem wartości oczekiwanej niższej.

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 71, nr 3
• Strony: 165--179
• Opis fizyczny: Bibliogr. 43 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Hydzik-Wiśniewska Joanna

• AGH University of Krakow, Faculty of Civil Engineering and Resource Management, Krakow, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-3273-9876

autor

Bednarek Łukasz

• AGH University of Krakow, Faculty of Civil Engineering and Resource Management, Krakow, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-8239-5864

Bibliografia

• [1] Z.T. Bieniawski, Engineering rock mass classifications. New York: Wiley, 1989.
• [2] J. Pinińska, “Engineering-geological valuation systems for rock and rock massif classification”, Przegląd Geologiczny, vol. 49, no. 9, pp. 804-814, 2001 (in Polish).
• [3] ISRM, “Suggested methods for the quantitative description of discontinuities in rock masses”, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, vol. 15, no. 6, 1979.
• [4] C.A. Ozturk and E. Nasuf, “Strength classification of rock material based on textural properties”, Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 37, pp. 45-54, 2013, doi: 10.1016/j.tust.2013.03.005.
• [5] I. Ahmed, M. Basharat, L. Sousa, and M.S. Mughal, “Evaluation of building and dimension stone using physico-mechanical and petrographic properties: a case study from the Kohistan and Ladakh batholith, Northern Pakistan”, Environmental Earth Sciences, vol. 80, art. no. 759, 2021, doi: 10.1007/s12665-021-10007-y.
• [6] PN EN ISO 14689:2018 Geotechnical investigation and testing – Identification and classification of rock. PKN, 2018.
• [7] D. Yanqiang and X. Bing, "Rock mass classification in highway tunnel engineering during exploration phase and case study”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 2, pp. 141-153, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.145258.
• [8] PN-B-01080:1984 Stone for construction and road construction – Division and application according to physical and mechanical properties. PKN, 1984 (in Polish).
• [9] M. Kamieński and W. Skalmowski, Building and road stones. Warszawa: Wydawnictwa Geologiczne, 1957 (in Polish).
• [10] PN-EN 13383-1:2003 Armourstone – Part 1: Specyfication. PKN, 2003.
• [11] Z.L. Chen, H.Z. Shi, C. Xiong, et al., “Effects of mineralogical composition on uniaxial compressive strengths of sedimentary rocks”, Petroleum Science, vol. 20, no. 5, pp. 3062-3073, 2023, doi: 10.1016/j.petsci.2023.03.028.
• [12] N. Yesiloglu-Gultekin, E.A. Sezer, C. Gokceoglu, and H. Bayhan, “An application of adaptive neuro fuzzy inference system for estimating the uniaxial compressive strength of certain granitic rocks from their mineral contents”, Expert Systems with Applications, vol. 40, no. 3, pp. 921-928, 2013, doi: 10.1016/j.eswa.2012.05.048.
• [13] L.M.O. Sousa, “The influence of the characteristics of quartz and mineral deterioration on the strength of granitic dimensional stones”, Environmental Earth Sciences, vol. 69, pp. 1333-1346, 2013, doi: 10.1007/s12665-012-2036-x.
• [14] J. Pinińska, „Application of non-destructive tests in rock and rock mass strength classification”, Research Reports Mining And Environment, Quarterly, no. 4, pp. 80-94, 2002 (in Polish).
• [15] A. Lakirouhani, F. Asemi, A. Zohdi, J. Medzvieckas, and R. Kliukas, “Physical parameters, tensile and compressive strength of dolomite rock samples: influence of grain size”, Journal of Civil Engineering and Management, vol. 26, no 8, pp. 789-799, 2020, doi: 10.3846/jcem.2020.13810.
• [16] A.P. Joag and V.S. Lele, “Statistical Prediction Formula for Compressive Strength of a Rock”, Rock Mechanics, vol. 13, pp. 215-220, 1981.
• [17] S. Huang, Y. He, G. Liu, Z. Lu, and Z. Xin, “Effect of water content on the mechanical properties and deformation characteristics of the clay-bearing red sandstone”, Bulletin of Engineering Geology and the Environment, vol. 80, pp. 1767-1790, 2021, doi: 10.1007/s10064-020-01994-6.
• [18] L.N.Y. Wong, V. Maruvanchery, and G. Liu, “Water effects on rock strength and stiffness degradation”, Acta Geotechnica, vol. 11, pp. 713-737, 2016, doi: 10.1007/s11440-015-0407-7.
• [19] X. Shi, W. Cai, Y. Meng, G. Li, K. Wen, and Y. Zhang, “Weakening laws of rock uniaxial compressive strength with consideration of water content and rock porosity”, Arabian Journal of Geosciences, vol. 9, art. no. 369, 2016, doi: 10.1007/s12517-016-2426-6.
• [20] A. Daraei and S. Zare, “Determination of critical saturation degree in rocks based on maximum loss of uniaxial compression strength and deformation modulus”, Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources, vol. 4, pp. 343-353, 2018, doi: 10.1007/s40948-018-0091-9.
• [21] K. Diamantis and D. Fereidooni, “Assessing the Strength and Deformation Properties of Serpentinite Rocks in Dry and Saturated Conditions”, Iranian Journal of Science, vol. 47, pp. 1169-1178, 2023, doi: 10.1007/s40995-023-01512-9.
• [22] E. Özdemir and D.E. Sarici, “Combined Effect of Loading Rate and Water Content on Mechanical Behavior of Natural Stones”, Journal of Mining Science, vol. 54, pp. 931-937, 2018, doi: 10.1134/S1062739118065072.
• [23] J. Hydzik-Wiśniewska and A. Pękala, “The evaluation of the physico-mechanical properties of selected Carpathian sandstones in terms of their use as a armourstone”, Archives of Mining Sciences, vol. 64, no. 1, pp. 65-77, 2019, doi: 10.24425/ams.2019.126272.
• [24] J. Hydzik-Wiśniewska and E. Hycnar, “The Use of Limestone in Historic Road Surfaces – a Case Study”, Archives of Mining Sciences, vol. 67, no. 3, pp. 477-490, 2022, doi: 10.24425/ams.2022.142411.
• [25] Z. Song, Z. Yang, F. Song, Y.Wu, and H. Konietzky, “Mechanical responses of freeze-thaw treated natural stone masonry subject to compressive variable amplitude fatigue loading: Insights from stiffness loss and constitutive characterization”, Construction and Building Materials, vol. 350, 2022, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2022.128908.
• [26] S. Guler, Z.F. Türkmenoğlu, and O.O. Varol, “Thermal shock and freeze-thaw resistance of different types of carbonate rocks”, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, vol. 137, 2021, doi: 10.1016/j.ijrmms.2020.104545.
• [27] C. Hou, X. Jin, J. He, and H. Li, “Experimental studies on the pore structure and mechanical properties of anhydrite rock under freeze-thaw cycles”, Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, vol. 14, no. 3, pp. 781-797, 2022, doi: 10.1016/j.jrmge.2021.10.005.
• [28] F. Gao, C. Li, X. Xiong, Y. Zhang, and K. Zhou, “Dynamic behaviors of water-saturated and frozen sandstone subjected to freeze-thaw cycles”, Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, vol. 15, no. 6, pp. 1476-1490, 2023, doi: 10.1016/j.jrmge.2022.11.007.
• [29] PN-EN 1926:2007 Methods of test for natural stones – Determination of compressive strength. PKN, 2007.
• [30] Z.T. Bieniawski and M.J. Bernede, “Suggested methods for determining the uniaxial compressive strength and deformability of rock materials. Part 1. Suggested method for determining deformability of rock materials in uniaxial compression”, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, vol. 16, no. 2, 1979, doi: 10.1016/0148-9062(79)91450-5.
• [31] S.B. Çelik, “The effect of cubic specimen size on uniaxial compressive strength of carbonate rocks fromWestern Turkey”, Arabian Journal of Geosciences, vol. 10, 2017, doi: 10.1007/s12517-017-3218-3.
• [32] C. Qi, M. Wang, Z. Wang, and X. Li, “Study on the Coupling Effect of Sample Size and Strain Rate on Rock Compressive Strength”, Rock Mechanics and Rock Engineering, vol. 56, pp. 5103-5114, 2023, doi: 10.1007/s00603-023-03309-z.
• [33] T. Durmeková, M. Bednarik, P. Dikejová, and R. Adamcová, “Influence of specimen size and shape on the uniaxial compressive strength values of selected Western Carpathians rocks”, Environmental Earth Sciences, vol. 81, art. no. 247, 2022, doi: 10.1007/s12665-022-10373-1.
• [34] E. Ahmadi Sheshde, A. Cheshomi, “New method for estimating unconfined compressive strength (UCS) using small rock samples”, Journal of Petroleum Science and Engineering, vol. 133, pp. 367-375, 2015, doi: 10.1016/j.petrol.2015.06.022.
• [35] A.I. Lisitsyn, “Ratio of cube strength to axial compressive strength of rocks”, Soviet Mining Science, vol. 14, pp. 523-525, 1978, doi: 10.1007/BF02499709.
• [36] PN-EN 1996-1-1: 2023 Eurocode 6: Design of masonry structures – Part 1-1: General rules for reinforced and unreinforced masonry structures. PKN, 2023.
• [37] PN-EN 771-6:2015 Specification for masonry units. Natural stone masonry units. PKN, 2015.
• [38] PN-EN 772-1:2011 Methods of test for masonry units. Determination of compressive strength. PKN, 2011.
• [39] PN-EN 1997-2:2009 Eurocode 7: Geotechnical design – Part 2: Ground investigation and testing. PKN, 2009.
• [40] ASTM D 2938:1991 Standard Test Method for Unconfined Strength of Intact Rock Core Specimens. 1991.
• [41] PN-EN 1342:2013-05 Setts of natural stone for external paving – Requirements and test methods. PKN, 2013.
• [42] LBWSiWK, Reports of tests performed in the Laboratory Properties of Rocks and Stone Products in the years 2007-2023, AGH Krakow, unpublished work (in Polish).
• [43] PN-EN 12371:2010 Natural stone test methods. Determination of frost resistance. PKN, 2010.