1

Predbežné výsledky výskumu hornín odobratých z vybraných historických pamiatok

Preliminary results of research of collected rocks from selected historical monuments -

Mgr. Ivana Šimkova

Katedra inžinierskej geológie, Prírodovedecká fakulta Univerzity Komenského, Mlynska dolina, 842 15Bratislava, Slovenská Republika,

e- mail: simkova@fns.uniba.sk, Abstrakt: Využitie hornín pre stavebné účely bolo aj je veľmi rozšírené, a preto existuje snaha o ich neustále skúmanie. Predmetom nášho výskumu bola simulácia špecifických prírodných podmienok na vybraných horninových materiáloch, čo nám pomôže lepšie porozumieť fyzikálnemu zvetrávaniu hornín. Pri fyzikálnom zvetrávaní dochádza k postupnej degradácii horninového materiálu, z ktorého je postavená väčšina historických pamiatok. Sledovanými vlastnosťami horninového materiálu boli: teplotná rozťažnosť a teplotná deformácia, ktoré boli zisťované v termodilatometri. Metóda použitá na výskum je dostatočne citlivá aj na malé zmeny napätostného stavu horniny. Za skúmaný materiál bol vybraný pieskovec z Chrámu sv. Jakuba v Levoči a tuf zo skalného obydlia z Brhloviec. Obidve historické pamiatky sú zapísané do svetového dedičstva UNESCO. Abstract: Use of rock, for construction purposes, was and still is very advanced and therefore exist a desire on their constantly exploring. The subject of our research was the simulation of specific natural conditions of selected materials what this will help us to better understand the physical weathering of the rocks. The physical weathering causes gradual degradation of the rock material, from which it is built most of the historical monuments. Properties of rock material are expressed by using thermal expansion and by thermal deformation and are detected termodilatometer. The method, used for the research, is sensitive enough to small changes in deformation. Sandstone from St. James’s Church in the town of Levoča and Tuff from Rocky Dwellings of Brhlovce had been chosen as a base experimental material. Both historical monuments belong to UNESCO World Heritage List. 1.ÚVOD

Článok sa zaoberá problematikou rozdielneho správania sa horninového materiálu v podmienkach nasycovania vzoriek vodou vo vákuu a za atmosférických podmienok. Vzniknuté rozdiely v stupni nasýtenia horniny môžu spôsobiť odlišný prejav deformácie počas cyklického zmrazovania a rozmrazovania, a teda aj vznik plastickej deformácie. Celé skúmanie bolo inšpirované existenciou slovenskej technickej normy STN EN 1936 (2007) na stanovenie skutočnej a zdanlivej objemovej hmotnosti a celkovej a otvorenej pórovitosti.

155

2

2.PREHLAĎ SÚČASNÉHO STAVU RIEŠENIA PROBLEMATIKY Vplyv cyklického zmrazovania na horninu má za následok kombinácia

faktorov, ako je zväčšovanie objemu pri prechode z vody na ľad, stupeň nasýtenia pórov vodou, kritická veľkosť rozloženia pórov a priebežnosť pórového systému. Predpokladom pre porušenie hornín je prítomnosť vody v póroch. Voda v póroch sa môže vyskytnúť počas špecifických poveternostných podmienok, napr. intenzívnych zrážok a následného ochladenia pod bod mrazu (Winkler, 1994). Ruedrich a Siegesmund (2007) už dlhšiu dobu pozorujú priebeh lineárnej dĺžkovej rozťažnosti rôznych litologických typov hornín pri rôznom stupni nasýtenia. Autori dospeli k záveru, že každá hornina pri rôznom stupni nasýtenia má odlišný priebeh deformácie, a preto zistenú deformáciu jednotlivých hornín porovnali, a určili tak niekoľko zón porušenia Teplotná dĺžková rozťažnosť hornín sa v súčasnosti zisťuje na Katedre inžinierskej geológie pomocou prístrojového vybavenia tzv. termodilatometra. Tento prístroj bol zakúpený a kalibrovaný pre zisťovanie dĺžkových zmien travertínových vzoriek vyvolaných teplotným pôsobením (Vlčko et al., 2005). Nasycovanie horninovej vzorky pod vákuom znamená, že vzorka je vystavená tlaku, ktorý je menší ako atmosférický tlak, čo spôsobí pri nasycovaní vzorky vodou vyplnenie väčšiny otvorených pórov vodou. Podľa autora Barryho at al., (1973) je daná metóda rýchla, ekonomicky nenáročná a vhodná na zisťovanie trvanlivosti stavebných materiálov vplyvom cyklického zmrazovania a rozmrazovania. 3.VÝBER SKÚMANEJ LOKALITY Pieskovec z chrámu sv. Jakuba bo odobratý z okennej rímsy práve rekonštruované kostola. Podľa makroskopického opisu je to jemnozrnný pieskovec hnedej až sivej farby s rovnomernou distribúciou minerálnych zložiek (homogénny vzhľad). Z hľadiska petrografického zatriedenia je to litický arenit, v ktorom horninové úlomky prevládajú nad živcami. Miesto ťažby tohto historického kameňa, nie je známi, ale predpokladá sa, že pochádza z flyšového pásmo (zuberecké alebo bielopotocké súvrstvia). Základné fyzikálno-technické vlastnosti pieskovca z lokality Levoča sú: merná hmotnosť (ρs) 2,75 Kg.m-3, objemová hmotnosť (ρd) 2,531 Kg.m-3, pórovitosť (n) 8:34% a nasiakavosť (N) 3,65 %. Brhlovecké tufy zaraďujeme medzi vulkanoklastiká litologickej formácie neovulkanitov a komplexu andezitového vulkanizmu. Z hľadiska opisných charakteristík je daný materiál svetlej až sivej farby s veľkosťou zŕn v rozmedzí 0,063 – 2 mm, má pórovitú textúru a kryptokryštalický matrix. Základné fyzikálno-technické vlastnosti tufu z lokality Brhlovce sú: merná hmotnosť (ρs) 2,569 Kg.m-3, objemová hmotnosť (ρd) 1,500 Kg.m-3, pórovitosť (n) 41,61% ,nasiakavosť (N) 19,18 %, pevnosť v prostom tlaku (σ ) 17,13 MPa a koeficient vymrazenia je 0,47. 4.METODIKA VÝSKUMU

Metodika výskumu pozostávala z odberu a prípravy skúšobných vzoriek pre skúmanie hornín v laboratórnych podmienkach. Dôležitú úlohu zohrával

156

3

tvar a počet vyrezaných skúšobných teliesok, na ktorých boli následne určené fyzikálne, mechanické a termofyzikálne vlastnosti horninového materiálu. Pre naše potreby skúmania boli použité vzorky valcového tvaru (35 x 50 mm). Skúmané vzorky boli vysušené v sušičke pri teplote 105 oC a následné podrobené experimentu nasycovania pod tlakom podľa normy STN EN 1936 :2007 (obr.1). Pri nadväznosti na cyklické zmrazovanie a rozmrazovanie bola realizovaná skúška na zistenie koeficienta teplotnej dĺžkovej rozťažnosti vzoriek v termodilatometri. Koeficient lineárnej teplotnej rozťažnosti bol stanovený za sucha v teplotnom intervale (+20 oC až -15 oC) a taktiež pre nasýtený stav, kde však platili iné podmienky. Z dôvodu fázovej premeny vody na ľad bolo potrebné koeficient lineárnej teplotnej rozťažnosti vyjadriť v dvoch samostatných teplotných intervaly (+20 oC až - 3oC a -3 oC až -15 oC). Termodilatometer VLAP 04 (obr.2) sa využíva pre zmeranie teplotnej dĺžkovej rozťažnosti snímačom HIRT - LVDT („linear variable differential transformer“) s presnosťou 0,0001 mm.

Obr. 2 Schéma termodilatometra (Vlčko et al., 2005). 5.VÝSLEDKY A DISKUSIA

Predmetom nášho výskumu bolo nielen namodelovať laboratórne podmienky, za ktorých dochádza k dĺžkovým a objemovým zmenám vzoriek vplyvom záporných teplôt, ale aj určiť kedy je vzorka najviac náchylná na takýto typ porušenia. Na základe vybraných obr. 3., 4. a 5 môžeme predpokladať, že najväčšie poruchy v hornine môžu vznikať práve v momente, kde dochádza k fázovej premene vody na ľad. Z realizovaného experimentu vyplynulo, že vzorky pieskovca aj tufu, v podmienkach bez predošlého nasýtenia, vykazovala lineárny priebeh deformácie (obr.3).

-0,025

-0,02

-0,015

-0,01

-0,005

0

-16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

teplota (°C)

defo

rmác

ia (m

m)

1 cyklus zmrazovania a rozmrazovania

2 cyklus zmrazovania a rozmrazovania

Obr.3 Lineárny priebeh deformácie pieskovcovej vzorky bez pridania vody.

Priebeh deformácie nasýtených vzoriek je znázornený na obr. 4 a 5

157

4

Na obr. 4, ktorý je charakteristický pre pieskovec je viditeľná trvala deformácia vzorky, spôsobená vysokým stupňom nasýtenia vzorky vodou a taktiež uvoľnené teplo pri kryštalizácii ľadu, ktoré zachytil senzor teploty a prejavilo sa to náhlim zvýšením teploty na povrchu aj vnútri testovanej horniny.

-0,0006

-0,0004

-0,0002

0

0,0002

0,0004

0,0006

0,0008

0,001

0,0012

0,0014-15 -13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

teplota (°C)

defo

rmác

ia (m

m)

1 cyklus zmrazovania a rozmrazovania

2 cyklus zmrazovania a rozmrazovania

Obr.4 Deformácia pieskovca počas cyklického zmrazovania a rozmrazovania po nasýtená vzorky vodou vo vákuu Na obr. 5, je vyjadrený priebeh deformácie testovaného tufu, kde však nebola potvrdená viditeľná trvala deformácia vzorky. Uvoľnené teplo je aj v tomto prípade dostatočne viditeľné

.

-0,029

-0,024

-0,019

-0,014

-0,009

-0,004

0,001

-15 -13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

teplota (°C)

defo

rmác

ia (m

m)

1 cyklus zmrazovania a rozmrazovania

2 cyklus zmrazovania a rozmrazovania

Obr. 5 Deformácia tufu počas cyklického zmrazovania a rozmrazovania, po nasýtená vzorky vodou vo vákuu Z našich meraní vyplynulo ,že nenasýtená vzorky pieskovca a tufu dosahujú konštantnú hodnotu koeficienta teplotnej dĺžkovej rozťažnosti v celom testovanom teplotnom intervale (+20 oC až -15 oC). Akonáhle bola vzorka dotovaná vodou hodnota koeficientu α (oC-1) variovala. Na základe tab.1 a tab.2 môžme usúdiť že koeficient α (oC-1) v teplotnom intervale (+20 oC až –3 oC) je skoro totožný ako pri nenasýtenom stave, takže môžme predpokladať, že voda v hornine na koeficient α (oC-1) nemá vplyv.

Pieskovec – Koeficient teplotnej d ĺžkovej roz ťažnosti α ( oC-1)

Teplotný rozsah Cyklus (bez vody) Cyklus (Sr=83%)

Cyklus (Sr=96%)

+20 oC až –3 oC 1,09*10-5

1,08 x 10-5

1,08 x 10-5

-3 oC až –15 oC 2,22 x 10-5 2,69 x 10-5

Tab.1 Porovnanie koeficienta teplotnej dĺžkovej rozťažnosti pieskovca v suchých

podmienkach a podmienkach, v ktorých dochádzalo nasýteniu vody do horniny pod tlakom

158

5

Ak však dôjde k fázovej premene vody na ľad (tvorbou kryštalizačných nukleí ľadu v póroch v teplotnom intervale 0 oC až -3 oC), tak sa rozťažnosť horniny zväčší, platí to pre teplotný interval (–3 oC až -15 oC).

Tuf – Koeficient teplotnej d ĺžkovej roz ťažnosti α ( oC-1)

Teplotný rozsah Cyklus (bez vody) Cyklus (Sr=79%)

Cyklus (Sr=94%)

+20 oC až –3 oC 7,01 x 10-6

7,03 x 10-6

6,31 x 10-6

-3 oC až –15 oC 4,64 x 10-5

2,69 x 10-5

Tab 2 Porovnanie koeficienta teplotnej dĺžkovej rozťažnosti tufu v suchých podmienkach a podmienkach, v ktorých dochádzalo nasýteniu vody do horniny pod

tlakom 6.ZÁVER

Predkladanú štúdiu možno zaradiť medzi aktuálne riešené úlohy zaoberajúce sa postupnou degradáciu horniny vplyvom zmeny teploty a vlhkosti počas cyklov zmrazovania a rozmrazovania. Podrobnejšie poznatky z oblasti distribúcie teploty a vlhkosti umožňujú lepšie pochopiť princípy a mechanizmy rozvoľňovania a deformačného správania horninového materiálu. V oblasti stavebnej praxe je prítomnosť vlhkosti jedným z hlavných faktorov ovplyvňujúcich tepelnoizolačné vlastnosti prírodných materiálov, ktoré sa menia v dôsledku zmrazovania a rozmrazovania. Preto považujeme za dôležité študovať vplyv vlhkosti na degradáciu horniny pri cyklickom zmrazovaní v laboratórnych podmienkach. LITERATURA: [1] BARRY J., DEMPSEY R., MARSHALL R. THOMPSON: Vacuum saturation

method for predicting freeze-thaw durability od stabilizedt material, Department od civil Engineering University of Illinois at Urbana-Champaign, 1973, 16 s.

[2] RUEDRICH, J., SIEGESMUND, S.: Salt and ice crystallisation in porous sandstones. In Environmental Geology. Special Issue on Salt Decay. International journal of geosciences: 2007, vol. 52, no.1, s. 225 – 249

[3] VLČKO J., JEZNÝ M. & PAGÁČOVÁ Z.,: Influence of Thermal Expansion on Slope Displacements. In: Sassa K., Fukuoka H., Wang F. & Wang G. (Ed.): Landslides: Risk Analysis and Sustainable Disaster Management. Proceedings of the First General Assembly of the International Consortium on Landslides, Washington, Springer Verlag, 7, s.71–74.

[4] WINKLER, E. M.: Stone in architecture, properties, durability. Third, Completely Revised and Extended Edition. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo, Hong kong, Barcelona, Budapest: 1994, 280 s. ISBN 0-387-57626-6

Poďakovanie: Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-0641-10 , grantom UK/ 592/2012.

159