Homokkövek ridegségének változása magas hőmérséklet hatására

Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2015 (Szerk: Török Á., Görög P. & Vásárhelyi B.) oldalak: 181 – 186

Homokkövek ridegségének változása magas hőmérséklet hatására Changes in rigidity of sandstones at elevated temperatures Vásárhelyi Balázs BME, Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszék, [email protected]

Török Ákos BME, Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszék, [email protected]

ÖSSZEFOGLALÁS: Épületek helyreállításánál, az építési kőanyag felhasználhatóságánál egyik probléma a tűzeset következtében bekövetkező változások megismerése, modellezése. Korábbi kutatások próbálták kimutatni, hogy egy adott kőzet esetén hőciklus hogyan változtatja meg a kőzet szilárdságát. Az ilyen jellegű mérési eredmények nem mutattak egyértelmű tendenciákat, általános érvényű megállapításokat nem lehetett tenni. Jelen cikkben homokkövek mérési adatait elemezve bemutatjuk, hogy a kőzet ridegségének változása viszont jól modellezhető az adott hőmérsékleti hatással. ABSTRACT: During the reconstruction or restoration of historic structures it is very difficult to detect and model the changes caused by fire. Previous works focused on monitoring the changes in the strength but no trends with mathematical formulae were described. As a consequence, no general statements and laws were found. The present paper provides information on the modelling of changes in rigidity of sandstone when the stone is subjected to different temperatures. Kulcsszavak: ridegség, homokkő, hő, Brinke szám keywords: rigidity, sandstone, heat, Brinke number

1. BEVEZETÉS A kőzetek hő hatására történő mechanikai változások vizsgálatával, elemzésével napjainkban egyre több kutató foglalkozik annak aktualitása miatt (legjelentősebbek: Brontóns et al., 2013; Smith & Pells, 2008; Tian et al, 2012; Tian et al, 2014; stb.) Magyarországon Hajpál (2002) vizsgálta homokkövek hő hatására történő változásait – különös tekintettel azok elszíneződésére, ásványi változásaira (Hajpál és Török 2004, Török és Hajpál 2005, Hajpál, 2006; 2007; 2008). Hajpál (2002) mind roncsolásos, mind roncsolás-mentes méréseket végzett különböző hőhatásnak kitett homokkövekkel. Alkalmazott hőciklusok: 22°; 150°; 300°; 450°; 600°; 750° és 900°. Mért kőzetfizikai paraméterek mind száraz, mind vízzel telített állapotban: - egyirányú nyomószilárdság (c); - közvetett húzószilárdság (t); Minden roncsolásos vizsgálat előtt meghatározta a kőzet sűrűségét valamint ultrahang terjedési sebességet is mért. A nemzetközi eredményekkel összhangban Hajpál (2002) Hajpál és Török (2004), Török és Hajpál (2005) eredményei nem mutattak egyértelműen meghatározható szilárdsági változást a hőciklus hatására. Eredményeket újra feldolgozva megállapítottuk, hogy a ridegség mértéke 573 °C felett (azaz amikor az  kvarc  kvarccá módosul) matematikailag is jól leírható változás figyelhető meg a ridegség változásában: a hőmérséklet növekedésével az anyag ridegsége megnő. Jelen cikk elején összefoglaljuk a fontosabb elméleteket, mellyel a ridegség meghatározható. Mivel nem áll rendelkezésünkre az eredeti feszültség-alakváltozási görbék, így számításainkat a nyomó és húzószilárdsági értékek felhasználásával végeztük el.

Vásárhelyi – Török

2. RIDEGSÉG MEGHATÁROZÁSÁNAK LEHETŐSÉGE A ridegség meghatározására számos vizsgálat és javaslat készült – a szakirodalom alapján a jelentősebbeket az alábbiakban foglaljuk össze Andreev (1995) alapján. A 1. ábra a ridegség meghatározásához felhasznált tényezők jelentését mutatjuk be. Ezen értékek meghatározására az alábbi felsorolt módszerek alkalmazhatók.

1. ábra. Ridegség meghatározásánál használt tényezők (Parameters controlling rigidity of stones) 1. Az ép kőzeten mért feszültség-alakváltozási görbéből meghatározható annak ridegsége is. A törés pillanatában mért longitudinális (tengelyirányú) elmozdulás értéke alapján (li) értékét figyelembe véve az alábbi osztályokat adja meg B1 = li 100 (%)

(1)

Az alábbi osztályozási módot adja meg: li < 3 %: rideg 3 % < li < 5 %: rideg-képlékeny 5 % < li: képlékeny 2. Ridegségi tényezőnek nevezhető a rugalmas és a teljes alakváltozás közötti hányados értének meghatározása a törésig:

B2 

1e 1e DF    1t 1i  1e OF

(2)

3. A rugalmas (We) ésa teljes munka (Wt) hányadosaként értelmezve, a törési állapotig vizsgálva a feszültség-alakváltozási ábrát:

B3 

We DCF  Wt OACF

(3)

4. A plasztikus tulajdonság vizsgálata az irreverzibilis munka (Wi) és a rugalmas munka (We) ismeretében:

B4 

Wi OACD  We DCF

(4)

182

Homokkövek mechanikai változása hő hatására

5. A határszilárdság (c) és a rezuduális szilárdság (r) ismeretében, az adott környezeti nyomást (3) figyelembe véve

B5 

 c   3    r   3 

(5)

c 3

ill. ha a környezi nyomás 0:

B6 

c r c

(6)

6. A repedés terjedésének kezdeti feszültsége (ci) arányosítva a törőfeszültséghez:

B7 

 ci c

(7)

7. A maradó (rezidulális) alakváltozás és a törés utáni alakváltozás ismeretében:

B8 

1r

(8)

1r  1t

8. A poszt-kritikus szakasz modulusa (M) és a rugalmassági modulus (E) hányadosaként:

B9   

M OACD  E FCN

(9)

Amennyiben  > 1, rideg kőzetről beszélhetünk. 9. Valamint ezen értékekből képezve:

B10 

M DCF  E  M OACF  FCN

(10)

Rideg kőzetről akkor beszélhetünk, ha ez az érték 0,5-nél nagyobb. Jelen cikkben az egyirányú nyomószilárdság (c) és húzószilárdság (t) értékeken alapuló tényezőket elemezzük csak. Megjegyezzük, hogy pontos határ nem megadható ezek alapján, hogy a kőzet mennyire rideg, de kijelenthető, hogy az érték növekedése a ridegség növekedését is mutatja. 10. Úgynevezett Brinke szám meghatározásával, azaz:

B11  R 

c t

(11)

Ez az érték 5 és 50 között változhat, átlag értéke 10 körül van az összes mérés statisztikai elemzése után. Hibahatáron belül értéke megegyezik a Hoek-Brown ép kőzetnél felvehető anyagállandójával (mi). 11. A húzó és nyomószilárdságokból különbségeiből a következő összefüggés is meghatározható:

B12 

c t c t

(12)

3. VIZSGÁLT KŐZETEK Hajpál (2002), Hajpál és Török (2004) eltérő korú, ásványi összetételű, cementációjú és különböző bányákból származó homokkövek hő hatására való változásait vizsgálta. A homokkövek néhány főbb jellemzője összefoglalva: - Maulbronner – finomszemű, agyagos kötőanyagú, triász - Pfinztaler – finomszemű, agyagos kötőanyagú, triász - Postaer – finom- és durvaszemű, kovás agyagos kötőanyagú, kréta - Rohrschacher – finomszemű, meszes kötőanyagú - Cottaer – finomszemű, agyagos kötőanyagú, kréta - Donzdorfer – finomszemű, goethites kötőanyagú, jura - Plienzhauser – durvaszemű, dolomitos kötőanyagú, triász 183

Vásárhelyi – Török

A fenti homokkövek még részletesebb ásványtani elemzését, legfontosabb szöveti jellemzőit, porozitását és egyéb fizikai tulajdonságait Hajpál (2002), Hajpál és Török (2004), Török és Hajpál (2005) ismertette bővebben. 4. EREDMÉNYEK Mint a bevezetésben említettük, egyértelmű változás a hőmérsékleti hatásra nem volt kimutatható. Ezt 4 különböző Maulbronn-i homokkő mérési eredményén mutatjuk be – a többi homokkő esetén is hasonló eredményre jutottunk.

2. ábra. Egyirányú nyomószilárdság változása égetési hőmérséklet hatására maulbronni homokkövek esetén (Changes in uniaxial compressive strength with increasing temperature, Maulbronner sandstone) 4.1 Brinke szám változása égetési hőmérséklet hatására A Brinke számot a (11) képlettel meghatározva jól meghatározható kapcsolat adható meg az égetési hőmérséklet növekedésével. Legkisebb nézetek módszerét alkalmazva exponenciálisan növekszik a Brinke szám (azaz mi Hoek-Brown anyagállandó):

R  ae (b*T )

(13)

ahol: R: Brinke szám (lsd. 11. egyenlet) a és b: kőzetre jellemző állandók T: hőmérséklet (°C) A 3. ábra az egyik mérési adatsor (plienzhauser-i homokkő) feldolgozását mutatja: az égetési hőmérséklet függvényében ábrázoltuk a Brinke szám változását. Megjegyezzük, hogy 573 °C-nál történő kvarc-átmenet után drasztikusan megnő a Brinke szám, de az eredmények változása azt mutatja, hogy már ezen határérték alatt is változik a kőzet ridegsége (1. Táblázat). 1. táblázat. A különböző kőzetekre jellemző állandók (13) egyenlet (charcateristic a, b and R2 values of the equation 13) Kőzet típusa Maulbronner 1 Maulbronner 2 Maulbronner 3 Pfinztaler 1 Pfinztaler 2 Postaer Rohrschacher 1 Rohrschacher 2 Cottaer Donzdorfer Plienzhauser

a 9,5806 10,687 10,321 13,753 13,184 14,478 12,473 16,681 7,310 12,622 6,846

b 0,0007 0,0007 0,0011 0,001 0,0009 0,0004 0,0011 0,0008 0,0014 0,0014 0,0012

184

R2 0,733 0,807 0,826 0,744 0,818 0,648 0,745 0,649 0,820 0,785 0,8976

Homokkövek mechanikai változása hő hatására

3. ábra. A Brinke szám változása égetési hőmérséklet hatására Plienzhauser homokkőknél (Changes in Brinke number with increasing temperature, Plienzhauser sandstone) 3.2 Ridegség változása égetési hőmérséklet növelésével A nyomó- és húzószilárdság ismeretében meghatározható ridegségi mutató a (12) képlet alapján. A legjobb közelítés alapján lineáris kapcsolat áll fent a két tényező között: az égetési hőmérséklet növekedésével a kőzet ridegsége lineárisan növekszik (erre mutatunk példát a 4. ábrán): B = c*T + d ahol:

(14)

B: ridegség értéke (lsd. 12. egyenlet) c és d: kőzetre jellemző állandók T: hőmérséklet (°C)

A vizsgált homokkövek esetén (14) egyenlettel kapott állandókat a 2. táblázatban összesítettük.

4. ábra. A ridegség változása égetési hőmérséklet hatására a Cottaer homokkőknél(Changes in rigidity with increasing temperature, Cottaer sandstone) 2. táblázat: A különböző kőzetekre jellemző állandók (14) egyenlet (charcateristic c, d and R2 values of the equation 14) Homokkő típusa Maulbronner 1 Maulbronner 2 Maulbronner 3 Pfinztaler 1 Pfinztaler 2 Postaer Rohrschacher 1 Rohrschacher 2 Cottaer Donzdorfer Plienzhauser

c (x10-5) 8 8 10 9 8 4 9 10 20 10 20

185

d 0,816 0,834 0,835 0,865 0,865 0,872 0,860 0,876 0,772 0,861 0,756

R2 0,733 0,796 0,866 0,729 0,831 0,620 0,577 0,707 0,808 0,808 0,902

Vásárhelyi – Török

4. ÉRTÉKELÉS A kísérleti eredmények feldolgozásával igazoltuk, hogy a homokkövek hő hatására egyre ridegebbé válnak. A ridegséget jellemezhetjük a Brinke számmal is, amely a hő hatást ért, s általunk kiértékelt mérési eredmények alapján a vizsgált homokköveknél 5 és 20 között változott, utóbbi értékek inkább a magasabb hőmérsékleti tartományban 800°C feletti mintáknál tapasztalhatók. A kapott eredmények segíthetnek abban, hogy alagúttűz esetén a kőzetkörnyezet kőzetmechanikai viszonyainak változását megbecsülhessük. A hő határára megváltozott (megnövő) Hoek-Brown állandó ismeretében lehetőség pontosabb modellezésre, ezáltal az újjáépítésnél optimálisabb tervezésre. Felhasználható továbbá ezen eredmény radioaktív hulladéktároló hosszú távú mechanikai modellezésénél is. KÖSZÖNET Ezzel a cikkel is emléket kívánunk állítani Dr. Hajpál Mónikának, aki sajnos már nincs közöttünk. FELAHSZNÁLT IRODALOM Brotóns V.; Tomás R.; Ivorra S.; Alarcón J.C. 2014. Temperature influence on the physical and mechanical properties of a porous rock: San Julian's calcarenite. Eng. Geol. 167: 117-127. Hajpál M. 2002a. Égetés hatására fellépő változások vizsgálata homokköveknél. PhD értekezés, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Építészmérnöki Kar, 1-136 Hajpál M. 2006: Magyar műemléki kőanyagok hőhatására fellépő változásainak kőzetfizikai vizsgálata. In: Török Á., Vásárhelyi B. (szerk.) Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2006, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 73-80. Hajpál M. 2007: Magas hőmérséklet műemléki építőkövek anyagtulajdonságaira gyakorolt hatásának vizsgálata In: Török Á., Vásárhelyi B. (szerk.) Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2007, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 215-221. Hajpál M. 2008: Hevítés indukálta színváltozás természetes kőanyagoknál, építőköveknél. In: Török Á., Vásárhelyi B. (szerk.) Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2008, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 145-157. Hajpál M. Török Á. 2004. Physical and mineralogical changes in sandstones due to fire and heat. Environmental Geology, 46, 3, 306-312 Smith A.G., Pells P.J.N. 2008. Impact of fire on tunnels in Hawkesbury sandstone. Tunnelling and Underground Space Techn. 23: 65-74. Tian H.; Kempka T.; Xu •N-X.; Ziegler M. 2012. Physical Properties of Sandstones After High Temperature Treatment. Rock Mech. Rock Eng. 45:1113–1117. Tian H.; Ziegler M.; Kempka T. 2014. Physical and mechanical behavior of claystone exposed to temperatures up to 1000 °C. Int. J. Rock Mech Min. Sci. 70: 144-153. Török Á., Hajpál M. 2005. Effect of Temperature Changes on the Mineralogy and Physical properties of Sandstones. A Laboratory Study. International Journal for Restoration of Buildings and Monuments, 11, 4, Freiburg, 211-217.

186