Internal Fractures After Blasting Confined Rock and Mortar Cylinders

Abstract

Blast-induced fines in rock negatively influence multiple aspects of raw-mineral sustainability. The Austrian Science Fund (FWF) sponsored a project to investigate the cause of the fines by studying blast fragmentation through small-scale blast tests and numerical simulations. The paper covers the experimental part of the project focusing on internal blast-induced fracturing and related mechanisms. The blast tests were done by blast-loading confined granite and mortar cylinders. The blast-driven dynamic cracking at the end face of the cylinder opposite to the initiation point was filmed with a high-speed camera. Following analyses covered internal crack patterns, fracture surfaces, and sieving of the blasted cylinders to quantify the amount of fine material created. The internal crack patterns and fracture surfaces were analysed by means of computer tomography (CT) and scanning-electron microscopy (SEM). The CT scans show that the amount of explosive charge affects the changing of the topological features of the crack patterns along the cylinder. They also depict different deformation zones around the blast-hole wall with respect to the blasted material and the amount of charge. Although fracture surfaces of larger fragments do not clearly differ in measured roughness and curvature, the SEM scans of smaller fragments show clear difference in fracture surfaces with respect to the blasted material and the amount of charge. SEM scans of thin sections extracted from the blasted cylinders show different fracture features that could be related to the branching/merging mechanism.Bei Gesteinssprengungen entstehende, nicht verwertbare Feinanteile haben oft einen negativen Einfluss auf Umwelt, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit. Der Österreichische Wissenschaftsfonds (FWF) fördert ein Projekt zur Untersuchung der Ursache von Feinanteilen mittels Analyse der Zerkleinerung bei Sprengversuchen in kleinem Maßstab und mittels numerischer Modellierung. Der Beitrag behandelt den experimentellen Teil des Projekts, der sich auf die internen sprenginduzierten Risse, Bruchvorgänge und Mechanismen konzentriert. Die Sprengtests wurden an Granit- und Mörtelzylindern durchgeführt, die über eine damit verbundene zentrale Bohrung gesprengt wurden. Die sprenginduzierte dynamische Rissbildung an der dem Einleitungspunkt gegenüberliegenden Stirnseite des Zylinders wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen. Darauf folgten Analysen der inneren Rissstrukturen und Bruchflächen sowie eine Siebanalyse, mittels derer die Korngrößen der gesprengten Zylinder untersucht wurden, um die Masse des erzeugten Feinmaterials zu quantifizieren. Die internen Rissmuster und Bruchflächen wurden mittels Computertomographie (CT) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) analysiert. Die CT-Untersuchungen zeigten, dass die Größe der Sprengladung beeinflusst, wie sich die topologischen Eigenschaften der Rissstrukturen entlang des Zylinders verändern. Sie zeigen auch unterschiedliche Verformungszonen um die Bohrlochleibung. Obwohl sich die Bruchflächen größerer Fragmente in Rauigkeit und Krümmung nicht wesentlich unterschieden, wiesen die REM-Aufnahmen kleinerer Fragmente einen deutlichen Unterschied der Bruchflächen wiederum abhängig von Material und Sprengladung auf. REM-Aufnahmen von Dünnschliffen, entnommen aus den gesprengten Zylindern, zeigten verschiedene Bruchmerkmale, die auf den Verzweigungs‑/Vereinigungsmechanismus hinweisen.