Petrophysical and durability tests on sandstones for the evaluation of their quality as building stones using Analytical Hierarchy Process (AHP)

Document Type : Research Paper


Deparment of Geology, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran


Due to their widespread availability, sandstones are commonly used as a natural stone for buildings, monuments and sculptures. In the
current study, nine sandstone samples from the Upper Red Formation (specified by the letters A, B, C, CG, S, S1, Sh, Tr and Min)
were studied from a petrophysical point of view and their durability was evaluated. Then, their suitability as building stones was
assessed using an AHP model. Laboratory tests, including polarizing optical microscopy, hydric tests, ultrasound, uniaxial compressive
strength, salt crystallization cycles, freeze–thaw cycles and slake durability index tests, were performed. Accelerated ageing tests
caused some changes in the dry weight, P-wave velocity, slake durability index and uniaxial compressive strength, especially during
salt crystallization cycles. The results from our laboratory investigations show that sandstones from the same stratigraphic layer can
show major differences in their petrophysical and weathering properties. These differences result from their different diagenesis
(causing varying pore space, water balance and strength properties) and also from the mineralogical composition. In the next stage of
this study, an AHP model was developed to classify the qualities of sandstones according to their physical and mechanical properties,
and also their resistance against weathering processes. Seven primary-level criteria, including uniaxial compressive strength, strength
reduction factor (R), Initial porosity, weight loss (%) in salt crystallization test, Id15 under salt crystallization test, main grain contact
type and main mineralogical composition, and 23 secondary level criteria were selected as input parameters. Results showed that the
AHP model can considerably predict the suitability of building stones. Of the analysed sandstones, samples B and C are very suitable
for construction purposes because of their good strength properties (high compressive and tensile strength, low softening degree) as
well as their low porosity. Furthermore, samples Tr, S and S1 are very unsuitable sandstones for use in construction due to their high
number of lithoclasts, high porosity and low compressive and tensile strength.


Article Title [Persian]

ارزیابی کیفیت ماسه سنگ ها به عنوان سنگ های ساختمانی با انجام آزمون های پتروفیزیکی، دوام پذیری و با استفاده از فرآیند تحلیل سلسسله مراتبی

Authors [Persian]

  • محمدحسین قبادی
  • رضا بابازاده
  • سعید خدابخش
گروه زمین شناسی دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران
Abstract [Persian]

با توجه به فراوانی ماسه سنگها در طبیعت استفاده از آنها به عنوان
سنگهای ساختمانی و در ساخت بناهای تاریخی و مجسمهها رایج
است.در این پژوهش 9 نمونه ماسه سنگ از سازند قرمز بالایی تهیه
شده و از نقطه نظر پتروفیزیکی و دوام پذیری مورد مطالعه قرارگرفته-
اند، سپس مناسبت آنها به عنوان سنگهای ساختمانی با استفاده از
فرایند تحلیل سلسله مراتبی ارزیابی گردیده است. در این پژوهش-
آزمونهای آزمایشگاهی شامل مطالعه مقاطع نازک سنگ، آزمایش
مقاومت تراکم تک محوری، چرخههای تبلور نمک،انجماد و آب شدن
و دوام پذیری انجام شد. طی انجام آزمونهای شتابدار به ویژه در مدت
آزمون تبلور نمک تغییراتی در وزنخشک، سرعت موج، شاخص دوام
پذیری و مقاومت تراکم تک محوری نمونههااتفاق افتاد. نتایج بررسی-
های آزمایشگاهی نشان داد که ماسهسنگهای نمونهگیری شده از یک
لایه چینهشناسی تفاوت های مهمی را در خصوصیات پتروفیزیکی و
خصوصیات هوازدگی نشان می دهند. این تفاوتها ناشی از فرآیند
دیاژنزه و ترکیب کانیشناسی آنهاست. در مرحله بعد یک مدل تحلیل
سلسله مراتبی به منظور رده بندی کیفی ماسه سنگها مطابق با
خصوصیات فیزیکی و مکانیکی و میزان مقاومتشان در مقابل
فرآیندهوازدگی به کار گرفته شد. هفت عامل اولیه شامل مقاومت
تراکم تک محوری، عامل کاهش مقاومت، تخلخل اولیه، افت وزنی در
نوع تماس دانه- ،(Id آزمون تبلور نمک، شاخص چرخه پانزدهم ( 15
های اصلی و ترکیب کانی شناسی و بیست و سه معیار ثانویه بعنوان
عوامل ورودی انتخاب گردید. نتایج نشان داد که مدل تحلیل سلسله
مراتبی به شکل قابل توجهی می تواند مناسبت سنگهای ساختمانی را
معین کند. براساس آنالیز انجام شده مشخص گردید دو نمونه از ماسه
سنگها به دلیل خصوصیات خوب مقاومتی و تحلخل کم برای
استفاده به عنوان سنگ ساختمانی بسیار مناسب هستند. در مقابل سه
نمونه از ماسه سنگها به دلیل داشتن تخلخل زیاد، مقاومتهای
فشاری و کششی کم برای ساختمان سازی بسیار نامناسب هستند.

Keywords [Persian]

  • ماسه سنگ
  • سازند قرمز بالایی
  • سنگ ساختمانی
  • فرآیند تحلیل سلسله مراتبی