Az andezit sziklafalak felületi tulajdonságainak változása magnézia hatására
Készítette: Petz Zsuzsanna – UN6U2Q 2. éves építőmérnök hallgató A Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszékén végzett TDK munka keretében 2005.
Témavezető: Dr. Török Ákos egyetemi docens
2
Tartalomjegyzék
1. Bevezetés...………………………………………………...…………………..……...4 2. A vizsgált terület elhelyezkedése…….……………………….………….…….….…..6 3. A vizsgált terület kialakulása…………………………….……....……….……….…..7 4. A vizsgált terület földtani felépítése, a sziklafal jellemzése……………….………...10 5. Vizsgálatok előkészítése……………………………….….........................................12 5.1. Vizsgálatokhoz szükséges andezit beszerzése……………………….……...12 5. 2. Próbatestek elkészítése………………………..….…………………………12 5.3. A próbatestek kezelése……………………………………………..……..…15 6. Laboratóriumi vizsgálati módszerek és eredményeik….....................…………..…...16 6.1. Optikai mikroszkópos vizsgálat……………………………………………..16 6.1.1. A vizsgálat eredménye…………………………………………….16 6.2. SRT-ingás vizsgálat..……………………………………………….……….18 6.2.1. Az SRT-inga ....................................................................................18 6.2.2. A vizsgálat eredménye…………...…………………….…………..19 6.3. Az AFM-mikroszkópos vizsgálat……………….…………….…………….22 6.3.1. Az AFM-mikroszkóp ………………………...…...……………….22 6.3.2. A vizsgálat eredménye...…….…..……………….………………...25 6.4. A pásztázó elektromikroszkópos vizsgálat.……………….…………...……29 6.4.1. A pásztázó elekromikroszkóp …………...………………………...29 6.4.2. A vizsgálat eredménye..………………………………..…………..32 6.4.2.1. Elektronsugaras mikroanalízis ………………………….32 6.4.2.2. Az andezit felszínének vizsgálata ………………………35 6.5. Röntgendiffrakciós vizsgálat…………………………………..……………39 6.5.1. Röntgendiffraktometria ……………………………………………39 6.5.2. A vizsgálat eredménye……………………………….…………….39 6.6. Derivatográfiás vizsgálatlat…………………..…….………………………..41 6.6.1. Derivatográf ……………………..…………………………….…..41 6.6.2. A vizsgálat eredménye……………………………………………..42
3 6.7. ICP-MS vizsgálat……………………………………………………………43 6.7.1. ICP-MS…………………………………………………………….43 6.7.2. A vizsgálat eredménye……………………………………………..43 7. Összefoglalás...………………………………………………………………...……46 8. Summary…………………...………………………………………………………..48 9. Ábrák jegyzéke..………………………………..………………….……….……….50 10. Melléklet ……………………………...……………………………………………52 11. Köszönetnyilvánítás.………………………………………………………………..54 12. Irodalomjegyzék…..…………………………..………………………...……..……55
4
1. Bevezetés Gyerekkorom óta sokat járok a természetbe. Szüleimmel tizenöt éven keresztül minden évben ellátogattunk a Dolomitokba túrázás céljából. Számtalan hegyet hódítottunk meg, azonban a függőleges sziklafalakat mindig elkerültük. Körülbelül két éve kezdtem el teremben falat mászni, amely alkalmas a sziklamászás előkészítésére, alapmozdulatok elsajátítására, és egyfajta alapkondíciót is ad. Idén télen egy építőmérnök ismerősöm, aki sziklát mászik, kivitt a Mátrába és megfertőzött eme szenvedélyével. Késő tavasszal találkoztam először magnéziás fogásokkal (1. ábra) és nagyon meglepett, amit tapasztaltam, mégpedig hogy, sokkal jobban csúsztak ezek a fogások, mint a tiszta andezit.
1. ábra: Magnéziás fogás A magnézia valójában magnézium-karbonát. Fehér színű, igen könnyű por, amely vízben nem oldódik, azonban savak pezsgés közben könnyen oldják. A magnéziumkarbonát alapvetően gyógyszerek komponense, hatásában például a simaizom működését segíti. Ez a por önmagában nem képes felszívódni a szervezetben, így a
5 felszívódást B12 vitaminnal szokták segíteni. Magnézium-karbonátot használnak magnézium-oxid előállítására is. A sziklamászók mellett a szertornászok, az atléták és a súlyemelők kenik a kezükre ezt a fehér port, hogy meggátolják a kéz izzadástól való csúszását és így ez szárazon tartja a sziklamászók kezét. A sziklamászók a magnéziumkarbonátot magnéziának vagy „ziának” hívják. Teremben való mászáskor használata nélkül szinte képtelenség mászni. Viszont a természetben nem mindenhol alkalmazható. Gyakorlati hatása a magnéziának az andezitre: egyrészt hogy, csúszóssá, zsíros tapintásúvá válnak a fogások, másrészt esztétikailag sem szép látvány a magnéziás szikla. Így lényegében ha előttünk valaki magnéziát használt, utána képtelenség a kisebb fogásokat kihasználni. Sziklamászók gyakorlati tapasztalatai szerint a magnézia használata által előidézett csúszósságot csak drótkefével lehet eltávolítani. Elkezdett érdekelni, mi is lehet ennek az oka. Sziklamászó fórumokon gyakori téma a magnézia használata. A vélemények vegyesek: van, aki határozottan ellene van, de van, aki azt állítja, nem árt semminek (valószínűleg nem mászott még magnéziás andeziten). A mészkőhöz, vagy teremhez szokott emberek automatikusan használják a magnéziát, nem figyelve arra, hogy az andeziten nem lenne szabad használni. A sziklamászó tanfolyamok egyik alapleckéje: az andezit zsíros tapintásúvá válik a rajta hagyott magnéziától. Az andezittel szemben a mészkő a sok mászástól válik zsírossá így csúszóssá. Mindez motivált abban, hogy e TDK-témát válasszam. A vizsgálatot nehezítette, hogy semmiféle irodalmat, korábbi adatot nem találtam, miszerint ezt már bárki is vizsgálta volna. A TDK-ban szereplő valamennyi fényképet én készítettem továbbá az összes mérési eredmény saját.
6
2. A vizsgált terület elhelyezkedése Magyarország legnagyobb andezites sziklamászó helyei a Csóka-kő és a Bárány-kő. E két
sziklafal
a
Nyugat-Mátrában,
a
Pásztóhoz
tartozó
Mátrakeresztes
tőszomszédságában található. A két sziklafal Csörgő-patak völgyének két oldalán helyezkedik el. A sziklamászók igencsak kedvelt mászóiskolája, mivel nagy sziklafalfelület található itt. Változatos hely, továbbá a különböző nehézségű utak teljes skálája megtalálható egy helyen. A Csörgő-patak völgyének jobb oldalán elhelyezkedő Csóka-követ (2. ábra) vizsgáltam, így az itt található kőzetből vettem mintát a szükséges kísérletekhez.
2. ábra. Mátra térkép részlet a Csóka-kő feltűntetésével A sziklák felfedezője és első útjainak megmászója Krafft Walter volt a hatvanas években. Jelenleg a Salgótarjáni Hegymászó Klub tartja karban az utakat és a környék kisebb szikláit (Babcsán, Kangyal, Ravadits, 1997).
7
3. A vizsgált terület kialakulása A Magyarország két legmagasabb csúcsát hordozó Mátra a belső-kárpáti miocén vulkáni koszorú tagja. Ami bizonyos: nagyformáit, amelyeket az utólagos szerkezeti mozgások és az erózió jelentősen átalakított, elsősorban a bádeni andezitvulkánosság hozta létre. A Mátra miocén vulkánosság előtti képződményei főként a meredek északias lejtőkön „rétegfejekként” bukkantak ki, aminek oka a kelet-nyugat csapású Vatta-Maklári-árok kialakulása lehetett. Ennek a vulkánosság után besüllyedt ároknak a „hatására” ugyanis a hegység egésze déli irányban kibillent, és míg a déli, lankás része fiatalabb üledékkel eltemetődött, addig az északi oldalán sorozatos csuszamlások révén meredek lejtők alakultak ki (Horváth, 1997). A triász időszakot követően az eocénban rétegvulkáni és karbonátos rétegek alakultak ki. Ezek az ún. periadriai vulkánossághoz kötődnek, amely valahol az alpi előtér déli szegélyén játszódott le és termékei csak később, vízszintes irányú tektonikus mozgásokkal kerültek mai helyükre (Horváth, 1997). Az oligocén jellemző üledékei (márga, agyag), főleg a hegység északi részén, helyenként sok száz méter vastagságban húzódnak (Horváth, 1997). A középső-miocén folyamán, azon belül a bádeni korszakban 13-19 millió évvel ezelőtt, rétegvulkáni1
működés
során
alakult
tovább.
Riolittufa-szórással
kezdődő
kitöréssorozatot követően piroxénandezitláva-, riolitláva-ömlés következett be, majd a folyamatot újabb riolittufa-szórás zárta. Így a Mátra fő tömegét a középső miocén piroxénandezit, andezittufa és agglomerátum váltakozásából álló több száz méter vastag kőzet képezi (A Mátra, 2002). A Nyugati-Mátrát félkörívű gerinc, míg a Keleti-Mátrát egyenes gerinc alkotja. A Nyugat-Mátra mai forma-kincsét vetőkhöz igazodó, feldarabolt, túlnyomórészt lávakőzetek alkotta vulkáni takarómaradványok alkotják. A „fedőandezitek” részben 1
Rétegvulkán: andezit láva és piroklasztikum rétegek váltakozása
8 kráterekből, részben más egyedi kitörésközpontokból származhattak, amelyek főleg lávadómok lehettek (Horváth, 1997). Az andezit a hazánkban legelterjedtebb magmás kőzetfajta. Kialakulását tekintve vulkanikus, magmás kiömlési kőzet. A kiömlési kőzet keletkezése: a vulkanikus működések folyamán fellépő forróság és nagy nyomás következtében a magma a felszínre nyomul, a felszínen vagy annak közelében szilárdul meg. Szilícium-dioxid (SiO2) tartalma 53-64%, amely miatt semleges (neutrális). Az andezit szilícium-dioxid mellett főként alumínium-oxidot (Al2O3) tartalmaz körülbelül 18 %-ban. A maradék 20% tetemes részét a vas-oxidok (Fe2O3, FeO), a magnézium-oxid (MgO), a kalciumoxid (CaO), a nátrium-oxid (Na2O), a kálium-oxid (K2O) teszi ki. Az andezit egy telített kőzet, ami annyit jelent, hogy kristályosodása során nem képes további szilíciumdioxidot felvenni. A kihűlés gyorsabban megy végbe a szegélyeken, így az összehúzódás miatt kihűlési repedések jönnek létre. Megjelenésében oszlopos vagy gömbhéjas elválás jellemző. Az andezit színe fekete, szürke, de akár vöröses is lehet. Az alapanyagát tekintve a kristályosodottságtól függően igen változó szövetű lehet, egy pár kikristályosodott ásvány jelenléte jellemző az alapanyagban. Alapanyaga kb. 50%, jól megfigyelhetők benne az ásványos elegyrészek. Földpátok aránya 30-50%, míg a színes elegyrészeké (biotit, amfibol, piroxén) 20-30%. Másodlagos ásványok közül a dezmin, chabazit (zeolit-félék) és a kalcit fordulhatnak elő. Mállásakor felületén sárgás-barna vas-oxidos kiválás keletkezik Az andezit porfiros, üveges szövete plagioklászokat, amfibolt, piroxén táblákat, biotit csillámokat esetleg kvarcot tartalmaz. Az andezitet alkotó ásványok: A plagioklász egy térhálós szilikát, többszörös ikres szerkezet, táblás, léces alak jellemzi. Színét tekintve fehér vagy világosszürke. Üveg vagy gyöngyfényű, átlátszó vagy áttetsző ásvány. Keménységét tekintve késsel nem karcolható, viszont az üveget karcolja. A plagioklász egymásra közel merőlegesen két irányban kiválóan hasad, a hasadási felületek különösen élénken, üvegesen csillognak. A piroxén egy láncszilikát. Megjelenése zömök, prizmás vagy oszlopos lehet. Fekete, zöldesfekete, barna vagy bronzszín jellemzi. Üvegfényű, áttetsző vagy átlátszatlan ásvány. Törési felülete általában fényes. A piroxén jól hasad a megnyúlási irányával
9 párhuzamosan, kagylósan törik. Bázisos kőzetekben oxidálódhat, ez esetben vöröses árnyalatú bevonat jelenik meg a felületén. Az amfiból egy szalagszilikát. Oszlopos, nyúlt léces megjelenés jellemzi. A megnyúlására merőlegesen kissé lapított nem egyenlő oldalú hatszög alakú. A megnyúlásával párhuzamosan kiválóan hasad, egyenlőtlenül törik. Üvegfényű, áttetsző vagy átlátszatlan szilikát. A piroxénnél fényesebb. A biotit csillám a rétegszilikátok közé tartozik. Vékony pikkelyes, lemezes, hatszöges, táblás formában jelenik meg a kőzetekben.
Barna vagy fekete színű, üvegfényű, de a
hasadási lapja gyöngyházfényű. Kitűnően hasad a pikkelyekkel párhuzamosan, egyenlőtlenül törik. A kvarc (SiO2) egy térhálós szilikát. Szabálytalan formájú, zömök alakú. Általában szürke-halványszürke, néha színtelen, gyengén vagy erősen áttetsző. Gyakran tartalmaz színező vagy szennyező anyagokat, ezért különféle színű lehet, illetve átlátszósága is csökken, sőt opakká is válhat. Zsír- vagy üvegfényű. Rossz hasadás, és kagylós törés jellemzi. A kvarc nagy keménységű, így rendkívül ellenálló, az üveget karcolja. Több fenokristályos változata ismert, mint például a hegyikristály, a rózsakvarc, a füstkvarc, az ametiszt, a jáspis, vagy az achát. A kvarc az andezitben nem vagy csak igen alárendelten jelenik meg.
10
4. A vizsgált terület földtani felépítése, a sziklafal jellemzése Vizsgálataimat a Csóka-kő földtani felépítésének feltérképezésével kezdtem. Freiberg geológuskompasszal (3. ábra) dőlésszög-, dőlésirány méréseket végeztem. A geológuskompasz egy földtani iránytű, amely a földtani terepmunkák nélkülözhetetlen műszere, dőlés és a csapás mérésére alkalmas. A műszert a vízszintezéséhez szükséges libella, a fokjelöléssel ellátott órakör, a mágnestű, továbbá egy nyomógomb (a műszer dezarretálására2) építi fel. A geológuskompassz teste eloxált alumíniumból készül (Bognár, 1977).
3. ábra. Geológuskompassz Egy réteg térbeli helyzetéhez elegendő a dőlésirányt és a dőlésszöget meghatározni. A dőlésvonal (dőlés) a csapásra3 merőleges egyenes, iránya a dőlésirány (ez a dőlés lejtésének iránya), a vízszintestől mért hajlásszöge a dőlésszög. (4. ábra)
4. ábra. Dőlésvonal, csapásvonal, dőlésszög egymáshoz viszonyított helyzete
2 3
Dezarretál = rögzítést kiold A csapásvonal a rétegen meghúzható vízszintes egyenes, ennek irányát mérjük
11 A Csóka-kövön geológuskompasszal a falsíkok és törésvonalak irányát valamint az andezit padok elválási síkját mértem meg (5. ábra).
5. ábra. Mért falsíkok és törésvonalak iránya (piros) és az andezit padok elválási síkja (zöld) A mászófal síkja párhuzamos a fő repedési irányokkal, a kis dőlésszögű síkok pedig nagy valószínűséggel az andezit láva rétegek felszínét és lehűlési repedéseket jelentik.
12
5. Vizsgálatok előkészítése 5.1. Vizsgálatokhoz szükséges andezit beszerzése A vizsgálatok előkészítése céljából ismét kilátogattunk a Mátrába, a vizsgálatokhoz szükséges andezit kőtömbök beszerzésére. A kőtömb választás fő szempontja a töredezettség-, és repedésmentesség volt, mivel töredezett kőtömb megnehezíti a próbatestek elkészítését. Három, darabonként körülbelül 15 kg-os kőtömböt cipeltünk haza. Továbbá a helyszínen megvizsgáltuk a magnéziás fogásokat.
5.2. Próbatestek elkészítése A természetes sziklafalon végbemenő változásokat laboratóriumi körülmények között szerettem volna modellezni és vizsgálni. A vizsgálatokhoz különböző próbatestekre volt szükség. A próbatestek előállítása az alábbiakban leírt módon történt: Előkészítés: Alakjukat tekintve háromfajta próbatestet készítettem: lemez, korong- és téglatest alakúakat. A korong-alakú elkészítését próbatest fúrógép, koronafúró (6a. ábra) igénybevételével kezdtem, majd az így kapott henger alakú testeket gyémántvágó (6b. ábra) segítségével apróbb korongokra vágtam.
6. ábra. Próbatest fúrógép (a), gyémántvágó (b)
13 Az előkészítő munka eredményeképp 21 darab, 2cm vastagságú 5,5 cm átmérőjű korong készült. Ezek után a korongok felszínét a különböző vizsgálatokhoz szükséges felszínűre alakítottam, ez csiszolást majd polírozást jelentett. Téglatest alakú 16,5*9*2,7 cm-es próbatestet gyémántvágóval vágtam le. Ennek az egyik felét lecsiszoltam, a másik felén maradt a természetes felszín. A lemez próbatest elkészítése egy, a lehetőségekhez képest minél vékonyabb lap levágásával kezdődött. Ezt addig csiszoltam, míg 1mm vékony, 1*1cm alapterületű andezitlapkát nem kaptam. Összesen 2 darab egyforma próbatestre volt szükségem, hogy pásztázó elektronmikroszkóppal pontosabban össze tudjam hasonlítani a magnézia masszával bekent felületet a nem bekent felülettel. Csiszolás: A csiszolandó próbatesteket három különböző finomságú (800, 600, 400 µm) vas-karbid poron csiszoltam (7. ábra). A csiszolás során üvegtábla felületre csiszolóport szórtam. Nedvesség biztosítás céljából folyamatosan locsoltam a csiszolófelületet és közben a koronggal kör-körös mozdulatokat végezve finomítottam a próbaest felületét.
7. ábra. Csiszolás 3 különböző finomságú csiszolóporon
14 Polírozás: A polírozást ón-oxid porral végeztem. A folyamatot a polírozógép korongjára megfelelő méretű posztóanyagot szabásával kezdtem. Második lépésként az ón-oxidot beledörzsöltem a felhelyezetett nedves posztóba. A működésbe hozott polírozógép (8a. ábra) korongjának folyamatos vízcsepegtetéssel nedvesen tartása közben a próbatestet finoman hozzáérintve végeztem a polírozást (8b. ábra). E folyamat során legjobban a tisztaságra illetve pormentességre kellett ügyelni, nehogy a polírozandó felület megkarcolódjon. Ezt folyamatos vizes mosással, és portól való elzárással biztosítottam.
8. ábra. Polírozógép az andezit koronggal (a), polírozás folyamata (b) Előkészítés eredménye: 4 darab polírozott, 4 darab csiszolt felszínű és 13 darab (összesen 21 darab) korong, továbbá 1 darab tégla, és 2 darab lemez próbatest készült. Feldolgozás: A leírt módon előkészített korongoknak a közepére kristálycsiszoló gyémántkoronggal vájatot készítettem, amely vájat választja el egymástól a magnézia masszával bekenendő és nem bekenendő felületet.
15
5.3. A próbatestek kezelése Magnézia massza előállítása: 60 g magnézium-karbonáthoz 300 ml vizet mértem ki, majd homogénre keverve szuszpenziót állítottam elő. Kezelés folyamata: A különböző próbatestek egyik felét bekentem vízben oldott magnézia masszával. Ehhez a magnézia masszát felvittem egy előre megfelelő méretűre kiszabott posztóra. A posztót ráhelyeztem a próbatestek magnézia masszával kezelendő részére. Ezt a kezelési folyamatot a 9a. és 9b. ábrák mutatják be.
9. ábra. Méretre szabott posztó (a), magnézia masszával átitatott posztó (b) A posztóra rácsot és nehezéket helyeztem (10. ábra). A nehezékre azért volt szükség, hogy a posztó folyamatos érintkezésben legyen az andezittel, a rács pedig a locsolgatást könnyítette meg. Így folyamatosan magnéziásan tartottam az andezit felszínét és lassítottam a víz párolgását is. Az elpárolgott vizet 3-4 naponta locsolással pótoltam.
10. ábra. Magnézia masszás bekenés
16 Mindez nem teljesen modellezi természetes sziklafalon végbemenő változásokat, mivel vannak tényezők, amelyektől laboratóriumi kísérleteim során el kellett tekintenem. Így például az eső pH értéke nem egyezik a meg csapvízével. Kezelés időtartama: A locsolást három héten keresztül folytattam.
6. Laboratóriumi vizsgálati módszerek és eredmények A kezelések után a próbatestek felületén végbement változásokat különböző vizsgálatokkal követtem nyomon.
6.1. Optikai mikroszkópos vizsgálat Olympus BH-2es optikai mikroszkóp segítségével az üde andezit csiszolatát a mállott andezit csiszolatával hasonlítottuk össze. A vizsgálat során a két különböző állapotú andezit csiszolatait helyeztük az optikai mikroszkóp tárgyasztalára. 6.1.1. A vizsgálat eredménye Az üde andezit csiszolatán ikres plagioklászok figyelhetőek meg. A nagy méretű ikres plagioklászok mellett az alapanyagban apró plagioklász tűk láthatók. A színes elegyrészeket az amfibólok képviselik (11. ábra). A mállott andezit csiszolatán a plagioklász kristályokon repedések láthatóak, amelyeknek limonitos agyagásványos kitöltése van. Az alapanyag is kissé bontott, limonitos (12. ábra).
17
11. ábra. Üde andezit szöveti képe plagioklász iker kristályokkal (kék nyíl) (a kép 2,2 mm x 3,2 mm-es részt ábrázol)
12. ábra. Mállott andezit szöveti képe bontott plagioklásszal (kék nyíl) (a kép 2,2 mm x 3,2 mm-es részt ábrázol)
18
6.2. SRT-ingás vizsgálat 6.2.1. Az SRT-inga Az építő- és útburkoló kövek csúszási ellenállását az SRT-inga ingakarjának adott nagyságú, sík kőfelületet súrolva, a gravitáció hatására történő átlendülésével mérik és annak mértékével fejezik ki (13. ábra). A nagyobb SRT-érték nagyobb csúszási ellenállást jelent. Az SRT-érték a csúszási ellenállásra jellemző, a csúszási ellenállást mérő SRT-ingán leolvasott, mértékegység nélküli szám. Az SRT-inga skálája 0-150 értéktartományra terjed ki. Az inga karja végén egy csúszógumi található, amelynek keménységi és rugalmassági tulajdonságait szabványokba foglalt előírások határozzák meg. (http://www.betonopus.hu/)
13. ábra. Az SRT-inga A súrlódási ellenállás méréséhez az ingának állandó hőmérsékletet kell biztosítani (20 ± 5 C°), valamint elmozdulás és rezgésmentes asztalra vagy állványra kell helyezni. A függőlegesen lefelé lógó ingakar alatt a próbatestet úgy kell elhelyezni és rögzíteni, hogy az inga csúszógumijának alsó éle a próbatest középvonalába essék, és az ingakar lengéssíkja a próbatest oldalvonalával párhuzamos legyen. A csúszógumi élének súrlódási hossza a próbatest felületén 76 ± 5 mm kell hogy legyen. A készüléket úgy kell beállítani, hogy a próbatest érintése nélkül az ingakar által tolt mutató a skálán éppen a 0 értéken álljon meg (MSZ 18287/5-78).
19
A mérést vizes felszínű, foglalatba helyezett próbatesten kell végezni. A súrlódás-mérés előtt és után a skálamutató állását és a súrlódási hosszat ellenőrizni kell. A próbatest felszínét és a gumiélt is be kell vizezni. Az ingakart a zárógomb megnyomásával ki kell oldani, majd az átlendülés utána visszalendülő kart el kell kapni. A visszamaradt mutató állását le kell olvasni. Ezután az ingafejet az emelőfogantyúval a próbatest mellett súrlódásmentesen vissza kell vezetni a vízszintes helyzetbe és ott rögzíteni szükséges. A mérést minden próbatesten ötször kell elvégezni, minden lengetés előtt újravizezve a próbatest és a gumi felületét (MSZ 18287/5-78).
6.2.2. A vizsgálat eredménye 4 Az első vizsgálat során SRT -ingával vizsgáltam az andezit felületén végbement
változásokat. A kísérlet célja az volt, hogy számokkal bizonyítsam, hogy a felület ténylegesen csúszósabbá válik a magnézia használat hatására. A mérések pontosságának nagyon nagy volt a szerepe, nehogy a mérési hiba nagyobb legyen, mint a bekenés előtti és utáni eredmények közötti különbség. Az 5.2.-es pontban leírtak szerint elkészített téglatest alakú próbatesten végeztem az SRT-ingás méréseket, majd azt bekentem a magnéziás masszával és három hét után újra megvizsgáltam. Ekkor magnéziával bekent felületen végeztem a méréseket. Ezt követően a próbatestről eltávolítottam a masszát és megvizsgáltam, hogy így mit mutat az inga. Minden felülettel öt mérési sorozatot készítettem, a mérési hibák csökkentésére. A mérési sorozat eredményeit a melléklet táblázata tartalmazza. A mérési eredmények alátámasztották gyakorlati tapasztalataimat, miszerint a magnézia használata csúszóssá teszi az andezitet. A megtisztított felületen végzett mérések során kisebb SRT értékeket kaptam, miszerint kisebb a csúszási ellenállás, így csúszósabb a felület.
4
SRT- inga (Slip Resistance Testing Taglinator) csúszási ellenállást mérő inga
20
A lehetséges mérési hiba kisebb, mint a kimutatott különbség, így a mért eredmények értékelhetőknek tekinthetők. A mérési eredmények nem feltétlenül jelentik azt, hogy a magnézia reakcióba lépett az andezittel. A pórusokból lehetetlen eltávolítani a belerakódott magnéziát, így a folyamatok pontos feltárása még további kémiai, fizikai, mikrobiológiai vizsgálatokat igényel, amelyeket az elkövetkező időszakban szeretnék elvégezni. A méréssel csupán az bizonyosodott be, hogy az andezit valóban csúszósabbá vált a magnéziás felületkezeléstől. Grafikonra helyezve a mérési sorozat eredményeinek számtani közepét és a szórását, a különbség szembetűnő (14. ábra). A magnézia masszás mérésnek a legnagyobb a szórása, ezt azzal magyarázom, hogy minden ingás mérés csökkentette a próbatesten a massza mennyiségét, így egyre kisebb lett a csúszási ellenállás és egyre nagyobb a mért eredmények közti különbségek. A másik két mérési sorozat szórása nagyságrendileg azonos.
SRT-inga mérési eredményei 100
SRT-érték
80
0,8
0,8
1,9 0,9
60 40
85
78
41
20 0
6,2
természetes
csiszolt
természetes
természetes
8,5
68
78
szórás átlag
34 csiszolt
magnézia masszás
természetes
csiszolt
magnézia után tisztított
Próbatest állapota
14. ábra. Az andezit próbatest SRT-ingás mérési eredményei A természetes felület SRT értékének nagyobbnak kellene lennie, mint a csiszolté, mivel a természetes felület érdesebb, így nagyobb kell hogy legyen a csúszási ellenállása. A mérések nem ezt igazolták, ezért újra megmértem az andezit próbatestem SRT-értékét
21 (15. ábra), továbbá referenciamérésként szürke gránitot vizsgáltam. Négy különböző felszínűre alakított szürke grániton, öt sorozatos SRT-ingás mérést végeztem (16. ábra). A szürke gránit és andezit újabb mérési eredményeit a melléklet táblázata tartalmazza.
Andezit referenciamérése
100 SRT-érték
1
1,3
80 60
85
80
40
Szórás Átlag
20 0 Természetes
Csiszolt
Próbatest felszíne
15. ábra. Andezit próbatest referencia mérésének eredménye
Gránit referenciamérése 100
SRT-érték
80
1,3
0,5
79
81
1,2
60 40 20
86
Szórás Átlag
1,4 24
0 Polírozott
Lángolt
Barázdált Homokszórt
Próbatest felszíne
16. ábra. Szürke gránit referencia mérésének eredménye Az újabb mérések ugyanazt az eredményt hozták, mint a korábbi mérések, miszerint a természetes,
érdesebb
felületnek
kisebb
a
csúszási
ellenállása.
Ebből
arra
következtettem, hogy mivel a természetes felszínű próbatest felszínén jobban megmarad a méréshez szükséges víz, így a gumi és az andezit próbatest között hasonló jelenség lép
22 fel, mint esőben az autógumi és az aszfalt között, ami vagy nedves csúszás vagy az úgynevezett vízen csúszás jelensége. A nedves csúszás az abroncs és a talaj között található vékony vízfilm miatt alakul ki. Ez a vékony réteg megszünteti a molekuláris kapcsolatot a gumi és a talaj között. A tapadási erő a nullához közelít, így a gépkocsi elkezd csúszni. A vízen csúszás az abroncs és a talaj közötti kapcsolat fokozatos elvesztését jelenti a köztük lévő vízréteg miatt. A víznek még szétfröccsenni sincs ideje a kerekek előtt a nagy sebesség miatt, így a kerekek felfekszenek a víz tetejére. Az én esetemben az abroncshoz hasonlóan az SRT-inga gumilapocskája feküdt fel a víz felszínére. Mivel az érdes felületen nagyobb mennyiségű víz marad a vizsgálathoz szükséges felületvizezés után, így ott erőteljesebben jelentkezik az imént említett nedves csúszás vagy vízen csúszás jelensége. Ez okozhatta az meglepő jelenséget (http://www.michelin.hu). Az SRT-ingás vizsgálat eredményeiből arra következtettem, hogy csak az azonos érdességű felszínek mérési eredményei összehasonlíthatóak. A grafikonon a természetes- és csiszolt felszínt külön-külön vizsgáljuk, összehasonlítjuk a bekenés előtt és utáni állapotot, látható hogy csúszósabb lett a felszín a magnézia hatására.
6.3. AFM-mikroszkópos vizsgálat 6.3.1. Az AFM5-mikroszkóp Az atomi erőmikroszkóp (AFM) nem mikroszkóp a szó hagyományos értelmében: egy mechanikus letapogatóval pásztázza
a mintát és az így letapogatott domborzatot
rekonstruálja nagyított kép formájában. A pontos domborzati kép kialakítását egy tű végzi, amelyet laprugó köt egy lapkához. A laprugó biztosítja, hogy a tű egyenletes nyomással érje a vizsgált anyag felszínét. A kép, amelyet az AFM-mikroszkóp alkot, a megmért magasságok összessége. Minél világosabb egy képpont a képben, annál magasabb területről van szó.
5
AFM-mikroszkóp = atomic force microscope
23 Az AFM-mikroszkóp (17. ábra) működésének elve röviden a következő: egy igen hegyes tű végigpásztázza a vizsgálandó felszínt attól néhány Ångstrom-nyi távolságban, miközben a tű és a minta között lokális erő ébred, amely erőt folyamatosan mérve számítógép segítségével megkapható a felület topográfiája - akár atomi felbontásban is. Az AFM mikroszkópot egy laprugón lévő hegyes tű (mérőtű), a rugó deformációját érzékelő rendszer (detektor), egy visszacsatoló-vezérlő rendszer, egy mozgató-rendszer (x,y,z – piezometrikus transzverter, ami általában piezoelektromos kerámiából készül) valamint egy adatfeldolgozó rendszer alkotja (18.ábra).
17. ábra. AFM mikroszkóp
18. ábra. Az AFM mikroszkóp elvi felépítése
24 Mérőrugók, mérőtűk: A tű és a rugó mechanikai tulajdonságai nagyban befolyásolják a mikroszkóp felbontóképességét, ezért két alapvető feltételnek kell megfelelniük: 1. A nagy érzékenység eléréséhez a rugóállandónak kicsinek kell lennie. 2. A környezetből érkező zavaró, általában viszonylag kis frekvenciájú rezgések és a visszacsatolási elektronika miatt fontos, hogy nagy legyen a rugó rezonanciafrekvenciája Detektálási rendszer:
a detektálási rendszer feladata a mérőrugó elmozdulásának
érzékelése. Ennek leggyakoribb módja a fénymutatós detektálási eljárás (ezen az elven működik az általam használt berendezés is). Ennek lényege az, hogy a mérőrugóra irányított és arról visszaverődő vékony fénynyaláb segítségével érzékelhető a rugó deformációja. A legmegfelelőbb fényforrás természetesen a lézer. Arra lényeges odafigyelni, hogy a lézer lehetőleg a laprugó legvégéről verődjön vissza, hiszen ott maximális a rugó kitérése. (19. ábra).
19. ábra. Az AFM mikroszkóp detektálási rendszerének vázlata Mozgató-rendszer: A mozgató-rendszer feladata a minta és a tű egymáshoz viszonyított (relatív) mozgatása, megfelelő pontossággal. Ez piezoelektromos kristályok segítségével történik. A pásztázás elkezdése előtt a tűt a mintához közel kell vinni. Ez részben manuálisan, részben egy léptetőmotor segítségével történik. Az utolsó tizedmillimétereken a közelítés automatikus, a léptetőmotor vezérlését ilyenkor a számítógép veszi át.
25 Működési elv: A minta és a mérőtű között ébredő erő sokféle kölcsönhatásból tevődhet össze: lehet van der Waals erő, lehet elektrosztatikus és mágneses kölcsönhatás, a Paulielvből és a kicserélődési kölcsönhatásból származó erők, és egyéb kölcsönhatások, attól is függően, hogy milyen a tű illetve magának a mintának az anyaga. A felszínhez közelítve a tűre először vonzóerő hat, ami taszítóvá válik - kellően közel kerülve a mintához. (http://esr.elte.hu) A vizsgálataimat NanoScope Dimension 3100 típusú AFM mikroszkóppal végeztem kontakt módban a KKKI-ban. 6.3.2. A vizsgálat eredményei Az AFM mikroszkóppal készített felszínvizsgálatokhoz az 5.2. pontban leírt polírozott korong próbatestet használtam (20.ábra). A polírozott felszínre azért volt szükség, mert az AFM mikroszkóp maximum 5 µm-es domborzatot képes tapogatni.
20. ábra. Polírozott korong próbatest, a felső fele kezeletlen, az alsó fele magnézia masszával kezelt rész A 21. ábrán egy természetes andezit felszíne látható, amely 50 µm-es képmérettel készült. A 22. ábrán egy andezit masszával kezelt andezit felszíne látható, amely szintén 50 µm. Ha összehasonlítjuk a két ábrát, látszik, hogy a magnézia hatására pórusok feltöltődtek, simább lett a felület, a pórusok csak kisebb mélyedések alakjában jelennek meg. Kisebbek lettek a domborulatok, a csúcsok eltompultak.
26
21. ábra. Természetes felszínű andezit (50 µm)
22. ábra. Magnéziás andezit (50µm)
27
A 23. ábrán a próbatest természetes feléről származó AFM mikroszkópos kép látható. A polírozott felület apró egyenetlensége mellett nagyobb mélyedéseket figyelhetünk meg, amelyek a kőzet pórusosságából eredhetnek. A 24. ábrán magnézia masszával kezelt felület látható. Mind a két kép 10 µm-es felbontással készült, így összehasonlíthatóak. A természetes felszínű andeziten pórusok láthatóak, míg a magnézia masszával kezelt felületen még a massza eltávolítása után is megfigyelhető a felületen megragadt magnézia.
23. ábra. Természetes andezit felszín (10 µm felbontás) A 21. ábrán szereplő felület a következő oldalon található 25. ábrán szereplő felületek „rücskös” részén készült. A 22. és 24. ábra felvételei a 25. ábra sima rész részletét domborzatát jelenítik meg. A 23. ábra a sima rész határán készült.
28
24. ábra. Magnéziás andezit (10µm) A további digitális felvételek az AFM mikroszkóphoz csatolt optikai mikroszkóppal készültek. A 25. ábra bal oldalán egy repedezett ásvány, míg a kép jobboldalán az andezit alapanyaga látható. A 25. ábra jobb oldalán megfigyelhető még egy szétnyílt repedés és kristálynövekedési zóna is.
25. ábra. Az AFM mikroszkóphoz csatolt optikai mikroszkóppal készült felvételek
29
6.4. Pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálat 6.4.1. A pásztázó elektronmikroszkóp A pásztázó elektronmikroszkóp (SEM)6 valójában nem hagyományos mikroszkóp (26. ábra). Működési elve azon alapul, hogy egy jól fókuszált elektronnyalábbal végigpásztázzuk a vákuumban lévő minta felületét és a mintából ezen primer nyaláb hatására kilépő szekunder elektronok detektálása révén képezzük le a minta felszínét. Mivel a SEM elektronsugárral pásztáz, ezért a vizsgált felületnek vezetőnek kell lennie, ez általában szén vagy arany bevonattal érhető el. A mintáról kapott jellel moduláljuk egy, a mikroszkóp elektronnyalábjával szinkron működő katódsugárcső fényintenzitását. A pásztázó elektronmikroszkóp általában maximum 30 kV gyorsítófeszültséggel dolgozik.
26. ábra. Pásztázó elektronmikroszkóp A pásztázó elektronmikroszkóp mélységélessége sokkal nagyobb, mint más mikroszkópoké, kis nagyítások esetén elérheti a 3-4 µm-t is. Nemcsak a mélységélesség, de a felbontóképesség tekintetében is a pásztázó elektronmikroszkóp jobb, mint a fénymikroszkóp (Pozsgai, 1995). 6
Scanning Electro Microscope
30 A pásztázó elektronmikroszkóp lencséi nem leképezésre szolgálnak, hanem csak a jól fókuszált elektronnyaláb előállítására. Különféle detektorokkal a mintáról kapott jelek térbeli egymásutániságát alakítjuk át időbeli egymásutánisággá, és jelenítjük meg a képernyőn. Ezért mondjuk, hogy a pásztázó elektronmikroszkópiában hiányzik a klasszikus értelemben vett leképezés.
Az éleken a nagyobb elektrosztatikus térerő
kiszívja az elektronokat a mintából, így az élek világosabb színnel jelennek meg a képen (Pozsgai, 1995). A minta felületének vezetőbevonatát vákuumpárologtatással értük el el. A nyomás a vákuum-berendezésben (27. ábra) 1 mPa körüli értékű kell hogy legyen.
27. ábra. Szénbevonó vákuum-berendezés Az elpárologtatandó anyag felhevítése ellenállásfűtéssel érhető el. A berendezésben lévő szénrudacskákat rugó szorítja egymáshoz, és az érintkezési pont a nagy áram hatására úgy felizzik, hogy szublimálni kezd. A vákuumrendszer maradékgáza szóró hatást gyakorol a szénatomokra. A felvitt réteg vastagságát úgy tudjuk ellenőrizni, hogy a próbatestek behelyezésével egyidejűleg tárgylemezt (mi esetünkben fehér papír) is helyeznek a vákuumrendszerbe és annak színváltozását ellenőrzik (28. ábra).
31
28. ábra. Szénbevonat vastagságának ellenőrzése A pásztázó elektronmikroszkóp felszerelhető olyan kiegészítő eszközökkel, amelyek a nagy nagyítású képek előállításán kívül számos egyéb fizikai mérés elvégzését teszik lehetővé amelyekhez elektronnyalábra van szükség. A pásztázó elektronmikroszkópban elektronsugaras mikroanalízissel megállapíthatjuk a vizsgált anyag elemi összetételét. Az elektronsugaras mikroanalízis annak a röntgensugárzásnak a mérésén alapul, amelyet az analizálandó mintában az elektronsugár gerjesztett. A gerjesztett karakterisztikus röntgensugárzás energiája vagy hullámhossza arra az elemre jellemző, amely kibocsátotta, intenzitása pedig a kibocsátó elem koncentrációjával arányos. Ha a gerjesztés elektronsugarakkal történik, akkor elektronsugaras mikroanalízisről beszélünk. Másik analitikai módszer a röntgensugaras mikroanalízis (Pozsgai, 1995). Hitachi S-570 típusú pásztázó elektronmikroszkóppal a KKKI-ban vizsgáltam a 5.2.-es pontban
leírt
módon
elkészített
lemez
próbatestet.
A
mikroszkóp
20
kV
gyorsítófeszültségre volt állítva. Elektronsugaras mikroanalízissel elemösszetételt vizsgáltam, természetes és magnéziával masszával kezelt felületen egyaránt.
32 6.4.2. Vizsgálat eredményei 6.4.2.1. Elektronsugaras mikroanalízis Mivel a pásztázó elektronmikroszkóp alkalmas elektronsugaras mikroanalízisre a vizsgált anyag elemi összetételét is meg lehet vele határozni. Ezt a vizsgálatot elvégeztem a természetes és a magnézia masszával bekent andezit próbatesteken. Az 5.2-es pontban leírt módon lemez próbatesteket készítettem ehhez a vizsgálathoz. Vákuumpárologtató berendezésben mindkét lemezkét bevontuk szénnel, hogy vezetőképes legyen a felülete. Ezután betettem a mikroszkóp alá. Minden próbatestnek két pontjában vizsgáltam az elemi összetételt. Az andezit próbatest elemi összetételét az
29-32. ábrák szerinti táblázatok és
spektrumok mutatják. A 30. ábra az eredeti felület, a 31. ábra a magnézia masszával bekent, majd letisztított felület elemi összetételét ábrázolja. A 32. ábra a két különböző felület összetételének összehasonlítása elektronsugaras mikroanalízissel spektrumuk alapján. A 32. ábra a 30-31. ábrán szereplő mért eredményeket egyesíti egy grafikonon. A piros görbe az természetes felület, míg a kék görbe a magnéziával kezelt felület elemi összetételét szemlélteti.
C Eredeti 1.
O
NA
MG
AL
SI
K
CA
FE
11.37 23.96 02.05 01.92 13.77 36.40 02.67 04.15 03.70
Magnéziás 1. 24.43 25.47 00.93 03.61 06.03 19.20 01.79 15.59 02.95 Eredeti 2.
11.42 21.48 02.30 01.62 15.94 36.71 02.64 05.32 02.59
Magnéziás 2. 19.00 31.33 01.20 06.75 07.11 15.39 01.40 16.18 01.65
29. ábra. Az andezit próbatestek elemi összetétele
33
30. ábra. Természetes felületen mért elemi összetétel
31. ábra. Magnézia masszával bekent, majd letisztított felület elemi összetétele
34
32. ábra. Az természetes felszínű (piros) és a magnézia masszával bekent (kék) felület elemi összetétele Mind a táblázatból, mind a spektrumról leolvasható, hogy a magnézia masszás kezelés után nőtt a próbatest magnézium-, szén- és kalciumtartalma. Az ilyen mértékű kalciumtartalom növekedésnek alapvetően két oka lehet. Az egyik lehetséges ok, hogy a gyógyszertárban árult magnézium-karbonát nem tiszta, hanem magnézium-karbonát és kalcium-karbonát keveréke, amelynek bizonyítására azonban további vizsgálatok szükségesek. Másik lehetséges ok, hogy az andezit felületére fizikai, kémiai illetve mikrobiológiai folyamatok következtében kalcium kerül. A vizsgált andezitfelület szilícium- és alumíniumtartalom jelentősen csökkent, ennek legfőbb oka lehet a szilícium- és alumínium-oxidokból képződött csúszós nyák eltávolítása. További okok lehetnek, hogy a magnézium masszából magnézium és a kalcium megjelenése miatt az összetételi arány megváltozott, és az elektronsugaras mikroanalízis a felületen levő összetevőket nagyobb súllyal veszi figyelembe.
35 6.4.2.2. Az andezit felszínének vizsgálata Pásztázó elektronmikroszkóppal több felvételt készítettem az andezit tört felszínéről. Ezek a képek 10-500 µm felbontásúak. A 33. ábra jobb felső részén egy földpát ásvány (kék nyíl) látható, amely a hasadási síkja mentén vált el. A kép többi részén az andezit mikrokristályos alapanyaga figyelhető meg.
33. ábra. Földpát kristály (kék nyíl) és mikrokristályos alapanyag A 34-35. ábrákon gombafonalak láthatóak (kék nyíl) az andezit felszínén. A 34. ábra 50 µm, míg a 35. ábra 10 µm felbontású. A gombafonalak az algasejtek mellett zuzmók alkotói. Az andezit felszínének a környezete révén van szervesanyag-tartalma, továbbá pórusossága révén a nagy felületén mikroorganizmusok tapadnak meg, amelyen gombafonalak tudnak megtelepedni.
36
34. ábra. Gombafonalak (kék nyíl) az andezit felszínén
35. ábra. Gombafonalak közelebbről (kék nyíl) A természetes andezit felszínén mikro szinten biológiai, fizikai vagy kémiai mállás folyamatosan jelen van, ami a felületen egy, a mállás következtében savas pH-jú bevonat kialakulásához vezethet. Az andezit mállását alapvetően három tényező befolyásolja. Az egyik az esővíz hatása, amely enyhén savas kémhatású. A másik hatás a baktériumok, az algák, a zuzmók és az elhalt élőlények bomlása során keletkező erős
37 savak. A harmadik hatás a szulfidok bomlása, amely bomlási folyamatok során szintén erős savak keletkeznek. Feltételezésem szerint a mállott andezit savas pH-ját a lúgos kémhatású magnézia eltolhatja a semleges, esetleg az enyhén lúgos pH felé. Ezzel kedvezőbb táptalajt biztosítva
a
gombafonalaknak
egyes
anyagcsere-folyamataihoz
illetve
olyan
gombafonalak szaporodhatnak el, és olyan anyagcsere-folyamatok indulhatnak el, amelyek számára ez a közeg kedvezőbb. A gombafonalak anyagcseréjéhez hozzájárul a kézről a sziklafalra kerülő zsírok, enzimek, szénhidrát és fehérjék is. Az andezitet képező szilikátokból ilyen körülmények között szilikát gél alakulhat ki, amely folyamat során a kalcium a kristályos szerkezetből szabaddá válva, a mikroorganizmusok közvetítésével (membrán szerkezet, kalciumpumpa) a magnéziában kimutathatóvá válik. A leírt feltételezés alapjául szolgál a magnézia masszával bekent andezit felszínén pásztázó elektronmikroszkópos mikroanalízissel kapott szignifikáns kalciummennyiség növekedés (6.4.2.1-es pont). Így a gyakorlatban a magnéziás andezit sziklafalon tapasztalt nyákosodás mikrobiológiai folyamatokkal megmagyarázhatóvá válik. Ennek igazolása azonban további vizsgálatokat igényel. A 36. ábrán pásztázó elektronmikorszkóppal készült kristálycsírák láthatóak, míg a 37. ábra a 36. ábra szerinti kristálycsíra egy részletének a kinagyítása.
36. ábra. Kristálycsírák az andezit felszínén (kék nyíl)
38
37. ábra. A 36. ábra felnagyított részlete A 38. ábra jobb oldalán leveles hasadást mutató biotit csillám figyelhető meg. A biotit egy lemezes, táblás megjelenésű ásvány. Kitűnő hasadás, egyenlőtlen törés jellemzi. A felvétel bal oldalán az andezit porfíros alapanyaga is látható.
38. ábra. Andezit alapanyaga (bal oldali rész), hasadt biotit ásvány (jobb oldali rész)
39
6.5. Röntgendiffrakciós vizsgálat 6.5.1. Röntgendiffraktometria Röntgendiffrakciós vizsgálat a kristályos ásványfázisok kimutatására szolgál. A vizsgálandó port forgatható mintatartóba helyezik és így a pormintában a különböző orientációban elhelyezkedő kristály szemcsék között lesznek olyanok, melyek a primer röntgensugár irányával megfelelő szöget zárnak be ahhoz, hogy a Röntgen-sugarakat diffraktálják. A diffraktált sugár a primer sugárral 2θ szöget zár be. A mérési adatok diffraktogramok formájában jelennek meg, ahol a diffraktált sugár intenzitását a 2θ szög függvényében ábrázolják. A diffraktogramon megjelenő csúcsok elhelyezkedése és intenzitása a mintát alkotó különböző kristályos alkotók minőségére és mennyiségére ad felvilágosítást. A röntgendiffrakció a legelterjedtebben használt anyagszerkezeti vizsgálati módszer. Hátránya, hogy közel azonos rácsszerkezetű anyagokat (pl. izomorf sorok tagjait) nem lehet egymástól biztonsággal megkülönböztetni, illetve nem alkalmas rosszul kristályosodott anyagok vizsgálatára.
6.5.2. Vizsgálat eredményei Philips PW3710 típusú diffraktométerrel végeztem a vizsgálatokat, réz anódcsővel. A generátor 40 kV-os feszültségen és 30mA áramerőséggel működött. A mérést 2θ = 5° – 70° ig végeztem. A röntgendiffrakciós fázisanalízissel a magnézia kristálykeverék alkotórészeinek azonosítása volt a cél. Gyógyszertári magnézia és üzletben vásárolt magnézia közti különbséget, továbbá Csóka-kőről behozott mállott és nem mállott andezit közötti különbséget vizsgáltam. A gyógyszertári és üzleti magnézia közti gyakorlati különbség: a gyógyszertári sokkal finomabb porrá van őrölve. Ha egymás felé helyezzük a kapott két diffraktogramot (39. ábra), akkor azon is ez látszik. Az üzletben vásárolt magnézia diffraktogramján intenzívebb csúcsok láthatók, ami több kötésszámot jelent, azaz teljesebb a kristályszerkezete. De a csúcsok elhelyezkedése közel azonos, így a két anyag alkotórészei megegyeznek.
40
39. ábra. Magnézia diffraktogramja A mállott és nem mállott andezit diffraktogramját szintén egymás mellé helyezve (40. ábra) látható hogy ez a két diffraktogram is nagyon hasonló. Legnagyobb különbséget 5°os és 52°-os szögnél találtam, amely szerint a mállott andezit több szaponit ásványt továbbá
több
rendezett
anortite
(Ca0.5(Mg,Fe)3(Si,Al)4O10(OH)2·xH2O)
ásványt
tartalmaz.
A
szaponit
egy duzzadó agyagásvány, amely nagy belső
felülettel rendelkezik. Az anortite (CaAl2Si2O8) a plagioklász földpát izomorf sorának tagja. Szilícium-oxid váz is megtalálható volt a vizsgált andezitben, de ez feltehetően nem kvarc ásvány, hanem rétegszilikát. Csillám mind a két vizsgált andezitben hasonló mennyiségű volt. A vizsgálat alapján megállapítható, hogy az andezit mállásával az agyagásványok aránya megnő és az agyagásványok közül a szaponit feldúsul.
40. ábra. Mállott és nem mállott andezit diffraktogramja
41
6.6. Derivatográfiás vizsgálat 6.6.1. Derivatográfia A derivatográfot (41. ábra) a termomérleg, elektromos kemence és a termoelem alkotja. A derivatográfiás vizsgálat ásványok, kőzetek, talajok, ércek, tüzelő anyagok, műanyagok,
gyógyszerek
stb.
összetételének
meghatározására
és
termikus
viselkedésének tanulmányozására alkalmas. Derivatográfiás vizsgálat valójában egy termoanalitikai vizsgálat. Porrá tört vizsgálati anyag összetételét a hő hatására végbemenő változások (bomlások) segítségével lehet megállapítani. A derivatográf olyan komplex műszer, amely lehetővé teszi, hogy ugyanazon mintából, a TG (termogravimetriás), DTG (differenciálhányados függvény), DTA (differenciál-termikus analízis) és T görbéket megkapjuk az idő függvényében. A DTG görbe sokkal érzékenyebben mutatja ki a folyamat sebességében beálló legkisebb változást is, mint maga TG alapfüggvény. A TG-, DTA- és DTG-görbék egyidejű felvételével pontosabban tudjuk értelmezni és értékelni a TG-görbét, azaz a minta hőbomlásának folyamatát (http://www.mfk.unideb.hu/, http://www.sulinet.hu).
41. ábra. Derivatográf
42 6.6.2. Vizsgálat eredménye Derivatográfiás vizsgálattal a gyógyszertári magnéziát vizsgáltam azért, hogy megállapítsam, hogy milyen fázisban lévő magnézium-karbonátot tartalmaz. A berendezésbe behelyezett 100 mg magnéziának 0-1000°C-ig növeltük a hőmérsékletét. A derivatográf görbén (42. ábra) látható, hogy négy lépcsőben szabadult fel vagy lépett ki jelentősebb mennyiségű anyag. A hő hatására különböző bomlási folyamatok játszódnak le, melyek tömegveszteségekkel járnak. Ezt rögzíti a TG és DTG görbe, amik alapján lehet a lejátszódó folyamatokat azonosítani. Esetünkben kapott görbe alapján vissza kellett keresni valami magnéziumot tartalmazó már ismert görbéjű anyag görbéjét.
A
keresés
eredménye
magnézium-hidroxi-karbonát-trihidrát
(3MgCO3·Mg(OH)2·3H2O) lett, mivel ez a görbe hasonlított legjobban a derivatográf által kimutatottra. Ezek szerint először adszorbeált víz távozott, amit a minta a levegő nedvességéből vett fel. Másodiknak a három mólnyi kristályvíz lépett ki. Harmadikként a hidroxi-csoportból származó víz lépett ki, majd utoljára a magnézium-karbid bomlott el. (Liptay, 1971).
42. ábra. A kísérletekhez használt magnézia derivatográfiás felvétele
43
6.7. ICP-MS7 vizsgálat 6.7.1. ICP-MS Az ICP-MS vizsgálat (tömegspektrometria) egy analízis módszer (43. ábra): plazmaégőbe fecskendezik az analizálandó oldatot és a plazmagázt egy quadrupol tömegspektrométerrel analizálják, ami fókuszálja. A quadrupolra kapcsolt feszültséget változtatva a detektorra különböző tömegszámú ionok csapódnak.
A különböző
tömegszámokhoz rendelhető intenzitásokból áll össze a tömegspektrum.
43. ábra. Az ICP-MS vizsgálat 6.7.2. Vizsgálat eredményei Az ICP-MS vizsgálatnak az volt célja, hogy megtudjam milyen változás ment végbe a magnézia masszában, ami az andezit felületén volt három héten keresztül. Ehhez 22 különböző elem mennyiségi változását vizsgáltam. A 22 különböző elem közül a legjelentősebbek a magnézium és kalcium mennyiségében bekövetkezett változások. A 22 elem mért mennyiségét számszerűen a 44. ábra szerinti táblázat tartalmazza, összehasonlítva a tiszta gyógyszertári magnéziát az andezit felszínéről leszedett szennyezett magnéziával. 7
Inductively Coupled Plasma/Mass Spectrometry
44
44. ábra. A tiszta magnézia és az andezitről leszedett magnézia elemi összetétele A magnéziumtartalom harmadára csökkent, míg a kalciumtartalom 20%-al nőtt. Feltételezésem szerint az andezit és a magnéziában lévő magnézium-karbonát között ionvándorlás indult meg. A vizsgálat nem teljes, mivel nem tudni hová tűnt a 20 m% magnézium. Az andezitről leszedett massza nedvességtartalma meghaladja a gyógyszertári magnézium-karbonát-por víztartalmát, ez torzíthat a vizsgálati eredményen. Így ha azt
45 veszem alapul, hogy a magnéziumtartalom nagyjából állandó, ehhez viszonyítva nézem a többi elem mennyiségváltozását, akkor például a kalciummennyiség-növekedés jóval nagyobb, megközelítőleg 1 m%-os növekedést jelent. Így ez a vizsgálat ugyanazt az eredményt hozta, mint a pásztázó elektronmikroszkópos mikroanalízis, azaz a kezelt andezit felületen kalciumdúsulás tapasztalható. Az ICP-MS vizsgálat arra a 6.4.2.1. pontban megfogalmazott kérdésre is választ adott, ami arra irányult, hogy a gyógyszertári magnézium-karbonát tiszta-e. A vizsgálatból kiderült, hogy nem tiszta, hanem tartalmaz legnagyobb mennyiségben, egyéb elemek mellett kalciumot is. Így a pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálat során kimutatott kalciumnövekedést a mikroorganizmusok anyagcsere-folyamatain kívül a kézről az andezitre kerülő magnézium-karbonát kalcium tartalma is befolyásolja.
46
7. Összefoglalás Munkám során abból a gyakorlati tapasztalatból indultam ki, hogy a magnézia csúszóssá teszi az andezit sziklákat. Ezt a jelenséget próbáltam minél alaposabban megvizsgálni és megmagyarázni. A vizsgálatokhoz próbatesteket vágtam ki az andezit kőzetből, azokat magnzézia masszával kezeltem és különböző méréseket végeztem (optikai mikroszkópos, SRTingás, AFM mikroszkópos, pásztázó elektronmikroszkópos, röntgendiffrakciós, derivatográfiás, ICP-MS). Az eddigi vizsgálataim eredményeképp arra a következtetére jutottam, hogy ennek a csúszósságnak mind fizikai, mind kémiai, mind mikrobiológiai okai lehetnek. A csúszósság egyik legfontosabb okozója, hogy az andezit pórusaiba beevődik a magnézia, ezt bizonyította az SRT-ingás kísérlet. Az andezit felszínéről nehéz eltávolítani ezt a ráragadt magnéziát, ezt mutatják az AFM mikroszkópos felvételek is. A próbatestet alaposan letisztítottam, mégis találhatók az andezit próbatest felszínén
magnéziafoltok.
A
csúszósság
mikrobiológia
hátterében
azok
a
mikroorganizmusok állhatnak, amelyek jelenlétét a pásztázó elektronmikroszkóppal fedeztem fel. A különböző elemösszetételi vizsgálatok (elektronsugaras mikroanalízis, ICP-MS vizsgálat) eredményeit analizálva szembetűnő a kalcium-, kismértékben a kálium mennyiségének változása is a magnézia masszával kezelt majd lemosott felületen. Ez a változás lehet ionvándorlás következménye, de esetleg összefüggésbe hozható a mikroorganizmusok jelenlétével. A leírt jelenségek, megfigyelések és vizsgálati eredmények alapján azt feltételezem, hogy az andezit felületét a rajta megtelepedett mikroorganizmusok (gombafonalak, a gombákból
és
algák
együttéléséből
kialakuló
zuzmók)
anyagcsere-folyamatai
befolyásolják, amelyeknek a magnézia táptalajául szolgál. Az emberi kézről a sziklafelületre kerülő zsírok, enzimek, cukrok, fehérjék továbbá a természetes környezetből odakerülő szervesanyag-tartalom és a mikroorganizmusok anyagcserefolyamatai és -termékei az andezit felületét akár a szilikát felület gélesedésével is csúszóssá tehetik. Mindezen feltételezések bizonyítására további vizsgálatokra van szükség.
47 A jövőben tervezem további referenciamérések elvégzését és a mikrobiológiai háttér részletes feltérképezését. Ezeket a vizsgálatokat és kontrollokat rendszerbe kell foglalni. Az
andezit
sziklafalak
felületi
tulajdonságainak
magnézia
hatására
történő
megváltozásával kapcsolatos végső következtetések levonásában sokat segíthet, ha további, elsősorban vulkanikus kőzeteken is megvizsgálom a magnézia hatását. Eddigi
kísérleti
megfigyeléseim
és
eredményeim
a
sziklamászók
gyakorlati
tapasztalatait igazolják, miszerint a magnézia csúszóssá teszi az andezit sziklát.
48
8. Summary It is a common experience among the rock climbers, that „magnesia” causes the rock slippery. The aim of my work is to explain this phenomenon. I cut off samples from the rocks for investigation with various methods (Optical Microscopy,
SRT-pendulum,
Atomic
Force
Microscopy,
Scanning
Electron
Microscope, X-Ray Difractography, Derivatography, Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) The result of the experiments concluded soon support the assumption, that this slipperiness could have physical, chemical and microbiological background. One of the main grounds of this slipperiness is, that the magnesia grains filled the pores of the andesite rock. This was supported by the SRT-pendulum experiments. AFM (Atomic Force Microscopy) investigations showed, that even by extensive washing, the magnesia grains could not bee removed from the andesite surface The microbiological ground of the slipperiness are the micro-organisms, which were discovered by the SEM (Scanning Electron Microscope) investigation. Analyzing the elemental-composition of the magnesia-treated and washed rock surfaces by EPMA (Electron Probe Micro Analysis), ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) the increase in calcium and in lower extent potassium content is obvious. This change in concentration could be caused by diffusion of appropriate ions, but it also could have some connection to the lifecycle of the microorganism. Based on the above described phenomena and experimental results I suppose, that the surface of andesite rock is influenced by the metabolism of microorganism (fungi or lichens) settled on it, and magnesia serves as a medium.
Various fat and sugar
compounds, enzymes, proteins originated from the hands of climbers and other organic compounds originated from the environment, and the metabolism of the microorganisms causes a slippery layer on the rock surface even by produsing a gel from the silicates composing the andesite. To confirm all these assumptions we need to conduct further experiments, to make control measurements and to clear the complicated microbiological background of the phenomena. I plan to do these controls and theoretical investigations in the future.
49
I also plan to investigate the effect of magnesia on other, first of all on volcanic rocks. My investigations and experiments support the experimental evidence of rock climbers: magnesia causes the rock surface slippery.
50
9. Ábrák jegyzéke 1. ábra. Magnéziás fogás 2. ábra. Mátra térkép részlet a Csóka-kő feltűntetésével 3. ábra. Geológuskompassz 4. ábra. Dőlésvonal, csapásvonal, dőlésszög egymáshoz viszonyított helyzete 5. ábra. Mért falsíkok és törésvonalak iránya és az andezit padok elválási síkja 6. ábra. Próbatest fúrógép, gyémántvágó 7. ábra. Csiszolás 3 különböző finomságú csiszolóporon 8. ábra. Polírozógép az andezit koronggal (a), polírozás folyamata (b) 9. ábra. Méretre szabott posztó, magnézia masszával átitatott posztó 10. ábra. Magznézia masszás bekenés 11. ábra. Üde andezit szöveti képe plagioklász ikerkristályokkal 12. ábra. Mállott andezit szöveti képe bontott plagoklászokkal 13. ábra. Az SRT-inga 14. ábra. Az andezit próbatest SRT-ingás mérési eredményei 15. ábra. Andezit próbatest referencia mérésének eredménye 16. ábra. Szürke gránit referencia mérésének eredménye 17. ábra. AFM mikroszkóp 18. ábra. Az AFM mikroszkóp elvi felépítése 19. ábra. Az AFM mikroszkóp detektálási rendszerének vázlata 20. ábra. Polírozott korong próbatest, a felső fele kezeletlen, az alsó fele magnézia masszával kezelt rész 21. ábra. Természetes felszínű andezit (50 µm) 22. ábra. Magnéziás andezit (50µm) 23. ábra. Természetes andezit felszín (10 µm felbontás) 24. ábra. Magnéziás andezit (10µm) 25. ábra. Az AFM mikroszkóphoz csatolt optikai mikroszkóppal készült felvételek 26. ábra. Pásztázó elektronmikroszkóp 27. ábra. Szénbevonó vákuum-berendezés 28. ábra. Szénbevonat vastagságának ellenőrzése 29. ábra. Az andezit próbatestek elemi összetétele 30. ábra. Természetes felületen mért elemi összetétel 31. ábra. Magnézia masszával bekent, majd letisztított felület elemi összetétele
51 32. ábra. A természetes felszínű és a magnézia masszával bekent felület elemi összetétele 33. ábra. Földpát kristály (kék nyíl) és mikrokristályos alapanyag 34. ábra. Gombafonalak (kék nyíl) az andezit felszínén 35. ábra. Gombafonalak közelebbről (kék nyíl) 36. ábra. Kristálycsírák az andezit felszínén 37. ábra. A 36. ábra felnagyított részlete 38. ábra. Andezit alapanyaga, hasadt biotit ásvány 39. ábra. Magnézia diffraktogramja 40. ábra. Mállott és nem mállott andezit diffraktogramja 41. ábra. Derivatográf 42. ábra. A kísérletekhez használt magnézia derivatográfiás görbe 43. ábra. Az ICP-MS vizsgálat 44. ábra. A tiszta magnézia és az andezitről leszedett magnézia elemi összetétele
52
10. Melléklet Táblázat . Andezit és szürkegránit referenciamérések sorozatának értékeit tartalmazza.
SRT-inga mérési eredményei Andezit Természetes
Csiszolt
76, 75, 75, 74, 75
84, 86, 85, 84, 84
Mérés Eredeti felület Magnzéziás felület
Bekent, letisztított felület
31, 38, 40, 44, 46
Gumi letisztítása Előtt
Után
38, 36, 25, 23, 23
33, 37, 39, 41, 45
70, 68, 68, 67, 68
81, 79, 76, 78, 78
82, 81, 80, 80, 79
84, 84, 86, 86, 85
Referenciamérés Eredeti
Gránit referenciamérés Polírozott
26, 25, 24, 23, 22
Lángolt
81, 79, 78, 80, 79
Barázdált
82, 81, 81, 81, 82
Homokszórt
88, 86, 86, 87, 88
További AFM-mikroszkópos felvételek a polírozott andezit felszínéről: sorrendben 100 µm, 50 µm, 50 µm, 20 µm, 20 µm felbontással készültek. Az első három felvétel természetes felszínű, míg az utolsó kettő magnéziás felszínű. A második és harmadik ábrák az andezit azon részéről készültek, ahol az andezit alapanyaga van, míg a többi a kristályokkal teltebb részen.
53
54
11. Köszönetnyilvánítás Köszönöm a TDK munkám elkészítése során nyújtott segítségét: Konzulensemnek, Dr. Török Ákosnak a vizsgálatok, és a TDK munka megszületésében nyújtott támogatását, szakmai tanácsait, irányító munkáját. Dr. Nagy Péter Miklósnak a KKKI munkatársának az AFM, valamint pásztázó elektronmikroszkóppal történő vizsgálatokban nyújtott segítségét, tanácsait. Dr.
Kopecskóné
Kocsányi
Katalinnak
a
röntgendiffrakciós
és
derivatografiás
vizsgálatokban nyújtott segítségét. Kovács
S.
Bélánénak
a
pásztázó
elektronmikroszkóphoz
szükséges
próbatest
elkészítésében, valamint a röntgendiffrakciós és derivatográfiás kísérletek elvégzésében továbbá az optikai mikroszkópos vizsgálathoz szükséges csiszolatok elkészítésében nyújtott segítségét. Papp Katalinnak a KKKI munkatárásnak a pásztázó elektronmikroszkóppal történő vizsgálatokban nyújtott segítségét. Árpás Endrének és Emszt Gyulának a kőzetfizikai laboratóriumban nyújtott segítségüket. A Bálint Analitika Kft.-nek az ICP-MS vizsgálat elkészítését.
55
12. Irodalomjegyzék 1. Babcsán Gábor, Kangyal András, Ravadits Kornél, 1997. Magyarország szikláin – sziklamászó kalauz (3. javított, bővített kiadás), Mega Print, 121. oldal 2. Debreceni Egyetem Műszaki Főiskolai Karának honlapja: http://www.mfk.unideb.hu/~vegyesz/ildi/mkemia3/jegyzetmk3.pdf 3. Dr. Bognár László, 1977. Szakmai gyakorlatok I / 1. (Általános földtani gyakorlat). Műszaki könyvkiadó, Budapest (harmadik kiadás), 20, 30. oldal 4. Dr. Kleb Béla, Török Endre, 1997. Geológia praktikum. Nemzeti tankönyvkiadó, Budapest (kézirat), 16-17,110. oldal 5. Eötvös Loránd Tudományegyetem Kőzettani-Geokémiai Tanszék honlapja: http://petrology.geology.elte.hu/Kornytanar1.pdf 6. Építési kőanyagok magyar nemzeti szabványrendszere: http://www.betonopus.hu/not20/MSZ-szabvanyjegyzek.htm (aug.28.) 7. G. Liptay, 1971. Atlas of thermoanalytical curres, Akadémia Kiadó, Budapest 8. Horváth Gergely, 1997., A Mátra- In: Karátson Dániel (szerk.) Magyarország földje: Kitekintéssel a Kárpát-medence egészére, Magyar Könyvklub, Budapest, 362-364. oldal 9.
Az ICP-MS vizsgálat német honlapja: http://www.icp-ms.de/wasist.html
10. A Mátra Turistakalauz és útikönyv, 2002. Cartographia Kft., Budapest 11. A Mátra turistatérképe – Mátrafüred és Sástó környéke, 1998. Cartographia 12. Miskolci Egyetem, Ásvány- és Kőzettani Tanszékének honlapja: http://www.asko.uni-miskolc.hu/~askmf/hpage/oktat/asv9/text10.html 13. Miskolci Egyetem, Földtan-Teleptani Tanszékének honlapja: http://fold1.ftt.unimiskolc.hu/~foldshe/foldal05.htm (okt.5) 14. Michelin Hungária Kft. honlapja: http://www.michelin.hu/hu/auto/grip_wet_visc.jsp 15. MSZ 18287/5-78 Szabványgyűjtemény 4. kötet, Szabványkiadó, Budapest, 1981. (3. bővített átdolgozott kiadás) 430-438. oldal 16. Pásztázó erőméréses mikroszkópia (Department of Biological Physics Group of Molecular BioPhysics honlap): http://esr.elte.hu/~noemi/labor/afm/afm1.html#elv (okt.21) 17. Pozsgai Imre, 1995. A pásztázó elektronmikroszkópia és az elektronsugaras mikroanalízis alapjai. ELTE Eötvös Kiadó, Budapest. 7-9., 102-103., 124-125. oldal.
56 18. Az SRT-inga angol nyelvű ismeretterjesztő honlapja: http://www.custard.com/CIA/Services/SlipResistanceTesting.htm (okt.4) 19. Természetvilága archívuma: http://www.sulinet.hu/termeszetvilaga/archiv/2000/0003/04.html
