T
C
B
NDERZOEK t
t
O
W
DUURZAAMHEID VAN GRANIET IN DE BOUW
Jan Elsen, dr. wetensch., projectleider, afdeling Materialen, WTCB Remy Gérard, ir., afdelingshoofd Materialen, WTCB Jean-Pierre Cnudde, prof., dr. wetensch., docent Universiteit Gent
Dit artikel geeft een samenvatting van de voornaamste resultaten van een onderzoek, dat door het WTCB werd opgezet met als doel de duurzaamheid te evalueren van voor de bouwwereld ingevoerde granieten. Deze studie werd gesubsidieerd door het Instituut tot Aanmoediging van het Wetenschappelijk Onderzoek in Nijverheid en Landbouw (IWONL) en door de drie Gewesten. Een gedeelte van het onderzoek werd uitgevoerd door het Laboratorium voor toegepaste geologie en hydrogeologie (RUG).
1
EEN MATERIAAL IN ZWANG
Het gebruik van graniet in de bouwwereld, voornamelijk als gevelbekleding, is het laatste decennium sterk toegenomen. Natuursteen en zeker graniet heeft doorheen de geschiedenis een faam verworven als een zeer duurzaam bouwmateriaal. Toch dringen zich om diverse redenen nieuwe kwaliteitsspecificaties en testmethoden op. De voornaamste reden is dat er een steeds groter aanbod van ingevoerde granieten in ons land voorhanden is. Op dit ogenblik voeren we een 200-tal granieten in, waaronder steeds meer vanuit andere continenten, met name uit Zuid-Amerika (vooral Brazilië) en uit Azië (bijvoorbeeld Indië). Vele van deze granieten hebben een minder gekende duurzaamheid bij verwering
in ons klimaat. Geregeld wordt het WTCB dan ook om advies gevraagd omtrent de duurzaamheid van een of andere onbekende en exotische graniet, terwijl in de vakliteratuur hierover zeer weinig gegevens te vinden zijn [10]. Er dient eveneens te worden gesteld dat de term “graniet” in de bouwwereld in heel ruime zin gebruikt wordt : men duidt er een hele reeks harde gesteenten mee aan, die magmatisch of metamorf zijn [8]. Deze ruime definitie heeft als gevolg dat de ingevoerde granieten enorm kunnen verschillen qua mineralogie en structuur. Sensu stricto wordt “graniet” gebruikt in de geologische wetenschappen voor een dieptegesteente, dat naast kwarts en plagioklaas als hoofdmineraal kaliveldspaat bevat. Als donkere bestanddelen zijn er biotiet, muskoviet in de alkalirijkere en hoornblende in de meer calciumrijke granieten [6]. Deze granieten worden in de bouwwereld ook wel eens ‘hardgranieten’ genoemd.
Afb. 1 Voorbeeld van een graniet ingevoerd uit Brazilië : het gaat hier om een orthogneis ‘Multicolor Red’.
2
PROBLEMEN MET GRANIET EN ONDERZOEKSDOELSTELLINGEN
De zeer ruime definitie van graniet in de bouwwereld heeft ook tot gevolg dat de in ons land verwerkte granieten qua duurzaamheid sterk kunnen verschillen. De problemen met granieten in de bouwwereld die aanleiding hebben gegeven tot dit onderzoeksproject, zijn : ◆ het glansverlies ◆ de kleurverandering ◆ de fysische schade aan het materiaal. 3
f
i
j d i s c h r
ZOMER 1997
T
W
C
B
t
t
De concrete doelstellingen van het onderzoek zijn dan ook : 1. het simuleren, door middel van laboratoriummethoden, van mogelijke aantastingen, zoals bijvoorbeeld scheurvorming en kleurveranderingen door oxidatie bij blootstelling in zuur milieu, gecombineerd met vorstomstandigheden 2. het correleren van deze aantastingen met de mineralogische en chemische samenstelling van graniet.
catie [11]. Hierdoor kan de betreffende graniet eenduidig worden geïdentificeerd, wat noodzakelijk is voor een juiste classificatie. Van elk der 22 granieten werd eveneens een X-stralendiffractogram opgenomen (dit gebeurde in het Centre de diffraction X des polycristaux, Laboratoire de géologie et minéralogie, UCL). De resultaten van deze poederdiffractieanalyse hebben ons geholpen bij de identificatie van de verschillende mineraalcomponenten. Vooraleer de granieten te onderwerpen aan versnelde aantastingsproeven, werden ze grondig gekarakteriseerd. Zo werden voor elke graniet de volgende fysische en mechanische parameters bepaald : ◆ schijnbare volumieke massa en totale porositeit (zie tabel 2) ◆ kleur ◆ glans ◆ geluidssnelheid en dynamische elasticiteitsmodulus (zie tabel 2).
Om deze doelstellingen te bereiken, werd het aantastingsmechanisme bestudeerd. Hiertoe onderzochten we de mogelijke mineraaltransformaties die zich bij versnelde verweringsproeven voltrekken. Deze mineraaltransformaties werden bestudeerd op slijpplaatjes met de optische microscoop [11] en op gepolijste oppervlakken met een elektronenmicroscoop, uitgerust met een EDX-apparaat (energy dispersive X-ray), dat toelaat de aanwezige chemische elementen te bepalen.
3
De schijnbare volumieke massa van graniet is voornamelijk bepaald door de volumieke massa van de verschillende mineralen waaruit het gesteente is opgebouwd, en geeft enkel bruikbare informatie binnen eenzelfde groep granieten. De verschillende granieten hebben een zeer verscheiden en goed reproduceerbare waarde voor de dynamische elasticiteitsmodulus en de geluidssnelheid. Beide parameters zijn ook goed gerelateerd aan de totale porositeit (correlatiecoëfficiënt van 81 % voor de dynamische elasticiteitsmodulus en van 91 % voor de
BESCHRIJVING VAN DE GRANIETEN
Tabel 1 Benaming, oorsprong en classificatie van de 22 onderzochte granieten.
Een groot aantal proeven werd uitgevoerd op 22 granieten, waarbij getracht werd van ieder belangrijk graniettype er enkele te selecteren (zie tabel 1). Voor elk der 22 granieten werden slijpplaatjes vervaardigd om de mineralogische samenstelling te bepalen. Deze microscopische analysetechniek werd in detail besproken in een vroegere WTCB-publiBENAMING
CODE
OORSPRONG
Amarelo Fonte Arcada Azul Pavone Baltic Brown Belfast Extra Bethel White Bianco Castillio Brasilian Gold Giallo Veneziano Impala Jacaranda Jasberg Bekker Juparana Classico Labrador Bleu Labrador Vert Lanhélin Multicolor Red Paradiso Rosa Moncao Rosa Porriño Sarizzo Antigorio Tarn Vert Tropical
AMAR AZUL BALT BELF BETH BIAN BRAS GIAL IMPA JACA JASB JUPA LABB LABV LANH MULT PARA ROSM ROSP SARI TARN VERT
Portugal Brazilië Finland Zuid-Afrika Verenigde Staten Italië Brazilië Brazilië Zuid-Afrika Brazilië Zuid-Afrika Brazilië Noorwegen Noorwegen Frankrijk Brazilië Indië Portugal Spanje Italië Frankrijk Brazilië
4
WETENSCHAPPELIJKE CLASSIFICATIE graniet gneis rapakivi-graniet noriet (gabbro) bostoniet (syeniet) graniet granuliet graniet-orthogneis noriet (gabbro) migmatiet noriet (gabbro) orthogneis larvikiet (syeniet) larvikiet (syeniet) granodioriet orthogneis migmatiet graniet graniet paragneis graniet charnockiet (graniet)
ZOMER 1997
f
i
jd i s c h r
T
C
B
NDERZOEK t
t
O
W
Tabel 2 Schijnbare volumieke massa, totale porositeit, dynamische elasticiteitsmodulus en geluidssnelheid van de verschillende granieten vóór aantastingsproeven.
SCHIJNBARE VOLUMIEKE MASSA (3 proefstukken) (1) [kg/m3]
TOTALE POROSITEIT (3 proefstukken) (1) [vol. %]
AMAR
2593
2,39
9279
AZUL
2677
0,47
61268
4698
BALT
2674
0,47
51773
4548
CODE
DYNAMISCHE ELASTICITEITSMODULUS (gemiddelde waarde, 7 proefstukken) (2) [N/mm2]
GELUIDSSNELHEID (gemiddelde waarde 6 proefstukken) (3) [m/s] 1983
BELF
2899
0,38
85562
5554
BETH
2628
1,28
24936
3138
BIAN
2642
0,83
37619
3964
BRAS
2630
0,82
31913
3564
GIAL
2630
1,03
37582
4160
IMPA
2956
0,24
113964
6050
JACA
2608
0,43
52705
4820
JASB
2923
0,43
61015
4798
JUPA
2582
1,37
30944
3565
LABB
2713
0,20
81141
5590
LABV
2712
0,49
57472
5112
LANH
2674
0,46
63555
5061
MULT
2619
0,92
49332
4556
PARA
2665
0,75
43841
4072
ROSM
2629
0,99
42739
4218
ROSP
2614
0,93
42048
4240
SARI
2680
1,07
42080
3859
TARN
2662
0,64
56051
4966
VERT
2632
0,67
68892
5220
( ) De totale porositeit werd beschouwd als de wateropslorping, bepaald onder een vacuüm van 740 mm Hg volgens de methode beschreven in de norm NBN B 24-213 [2]. De schijnbare volumieke massa en de totale porositeit (in vol. %) werden bepaald voor drie proefstukken van elke graniet. De vermelde waarden geven de resultaten van het gemiddelde van de drie metingen weer. 2 ( ) De basis voor de elasticiteitsmodulus is de verhouding tussen de aangebrachte spanning (σ) en de vervorming (ε). De dynamische elasticiteitsmodulus (Ed) is de tangens van de hellingshoek in de oorsprong van een spanning/vervormingscurve en is een constante die onafhankelijk is van de belasting. De Ed-waarde wordt berekend uitgaande van metingen van de resonantiefrequentie (zie NBN B 15-230) [1]. (3) Het principe van de bepaling van de geluidssnelheid bestaat in het meten van de doorgangstijd, doorheen een monster van het bestudeerde materiaal, van een geluid dat op een gekende afstand van een uitzendbron wordt opgevangen. De geluidsvoortplantingssnelheid V in het monster wordt bekomen uit de verhouding tussen de lengte L van het traject en de tijd t die de impuls nodig heeft om die afstand te doorlopen. 1
geluidssnelheid). De totale porositeit zelf is uiteraard een belangrijke karakteristiek, vermits deze het verweringsproces mee bepaalt.
4
durende 21 dagen op een temperatuur van (20 ± 5) °C blootgesteld aan een atmosfeer die verzadigd is aan SO2 (verkregen door een waterige oplossing verzadigd op 5-6 massaprocent van H2SO3) (cf. STS 34.03.06) [7].
VERSNELDE AANTASTINGSPROEVEN
De proefstukken werden onderworpen aan twee oxidatieproeven (zuurproef, water- en hitteproef) en aan twee vorstbestendigheidsproeven. De laatste twee proeven verschillen slechts in de vacuümwaarde voor de waterimpregnering voorafgaand aan de vorst-dooicycli (zie hierna).
WATER- EN HITTEPROEF Hierbij worden de proefstukken (15 cm x 15 cm x 1 à 2 cm) blootgesteld aan 21 cycli van 20 uur in een geventileerde oven bij (105 ± 5) °C, gevolgd door 4 uur onderdompeling in gedemineraliseerd water bij (20 ± 5) °C (cf. STS 34.03.06) [7].
ZUURPROEF
VORSTBESTENDIGHEIDSPROEVEN
De proefstukken (15 cm x 15 cm x 1 à 2 cm) worden verticaal geplaatst met een tussenafstand van minimum 5 mm. Ze blijven ge-
Voor het bepalen van de vorstbestendigheid wordt de proef volgens de Belgische norm 5
ZOMER 1997
f
i
j d i s c h r
T
C
W
B
t
t
Afb. 3 Microscopische analyse met fluorescerend licht van de graniet Tarn, ingevoerd uit Frankrijk. De microscheurtjes zijn geelgroen gekleurd (vergroting : 32 ×).
NBN B 27-009 [3, 4] uitgevoerd. De methode bestaat erin de proefstukken te impregneren met gedemineraliseerd water onder een bepaalde residuele druk en ze vervolgens te onderwerpen aan vorst-dooicycli in een thermisch geïsoleerde bak met niet-poreuze kwartskorrels van 2 tot 4 mm. Deze proef wordt verricht op proefstukken van 15 cm x 15 cm x 1 tot 2 cm, nadat deze onderworpen zijn aan een waterimpregnatie onder een vacuüm van 740 mm Hg, wat overeenkomt met een residuele druk van 20 mm Hg (= 2,7 kPa), of van 400 mm Hg, wat overeenkomt met een residuele druk van 360 mm Hg (= 48 kPa).
5
MICROSCHEURVORMING IN GRANIET
De studie van de microscheurvorming heeft tot doel mogelijke verbanden na te gaan tussen de scheurvormingstoestand en bepaalde fysische eigenschappen van het materiaal. Slijpplaatjes van elke graniet werden geanalyseerd door middel van een beeldanalysesysteem, gekoppeld aan een optische microscoop. Met behulp van een door ons opgesteld programma van beeldverwerking werd vervolgens een aantal parameters bepaald, die het scheurpatroon karakteriseren, nl. : ◆ aantal scheurtjes per eenheid van oppervlakte (scheurdensiteit) ◆ totale scheurlengte per eenheid van oppervlakte ◆ gemiddelde afstand tussen de scheuren ◆ gemiddelde lengte van de scheurtjes
◆ parameter die een indicatie geeft van een eventuele voorkeursoriëntatie van de scheurtjes. Er werd een goede correlatie vastgesteld tussen de resultaten van de microscheurdensiteit en die van de totale porositeit van de granieten (zie afbeelding 2). Dit betekent dat de poriënstructuur van een graniet voornamelijk bestaat uit microscheurtjes. Vermits de meeste aantastingsprocessen bepaald worden door transportmechanismen doorheen de poriënstructuur van het materiaal, kunnen we besluiten dat de porositeit van granieten, hoewel deze slechts nul tot drie volumeprocent bedraagt, toch een zeer belangrijke fysische parameter is bij de evaluatie van hun duurzaamheid.
6
2,5
RESULTATEN VAN DE VERSNELDE AANTASTINGSPROEVEN
Verschillende reeksen van de 22 granieten werden onderworpen aan elk der in § 4 (p. 5) beschreven versnelde aantastingsproeven en aan een aantal combinaties ervan, zoals hierna beschreven. Een reeks komt overeen met een totaal van 22 proefstukken; met andere woorden één proefstuk van 15 cm x 15 cm x 1 tot 2 cm per graniet.
Porositeit (vol.%)
2 1,5 1 0,5 0 0
20
40
60
80 100 120 140 160 180 Aantal scheurtjes per oppervlakte-eenheid
Afb. 2 Aantal scheurtjes per oppervlakte-eenheid, gemeten met automatische beeldanalysetechnieken op slijpplaatjes onder fluorescerende belichting, naargelang van de totale porositeit, bepaald onder vacuüm. De goede correlatie tussen beide parameters toont aan dat de microscheuren een belangrijke rol spelen in de poriënstructuur en dus ook belangrijk zijn voor de duurzaamheid van graniet.
Voor elke reeks werd de verandering van de dynamische elasticiteitsmodulus en van de geluidssnelheid ten opzichte van de toestand vóór de vorstproeven genoteerd. De aantasting werd visueel beoordeeld. De variatie (in %) van de glans van de verschillende granieten t.o.v. de 6
ZOMER 1997
f
i
jd i s c h r
T
C
B
NDERZOEK t
t
O
W
Tabel 3 Versnelde aantastingsproeven. VERSNELDE AANTASTINGSPROEF
De eerste en tweede groep granieten behoren respectievelijk tot de migmatieten en tot de gabbros. De derde groep bestaat voornamelijk uit granieten en granodiorieten, terwijl de laatste twee groepen niet tot één klasse van granietsoorten behoren.
Reeksnummer, elk bestaande uit 22 proefstukken 1
Zuurproef 1 (1) Zuurproef 2 (2) Water- en hitteproef Vorstproef 1 (3) Vorstproef 2 (4)
2
3
4
x
5
6
7
8
9 10 11
x
x
x
x
x
x x
x
x x
x x
x
x
7
AANTASTINGSMECHANISME BIJ VERSNELDE OXIDATIEPROEVEN
x x
Teneinde het aantastingsmechanisme beter te bestuderen, werden twee reeksen stalen blootgesteld aan een meer extreme versnelde zuurproef (zuurproef 2, zie § 6). We onderzochten mogelijke mineraaltransformaties die zich voltrekken bij deze versnelde verweringsproeven. De resultaten van de blootstelling van de 22 granieten aan de zuurproef gaven duidelijk aan dat er twee belangrijke soorten verkleuringen zijn : een witte verkleuring en een roestbruine verkleuring.
x
(1) Zie § 4 (p. 5). (2) Zuurproef waarbij de proefstukken gedurende 21 dagen verticaal met de voeten in ongeveer 1 cm zuuroplossing geplaatst worden (zie § 4). (3) Waterimpregnering bij een vacuüm van 740 mm Hg (zie § 4). (4) Waterimpregnering bij een vacuüm van 400 mm Hg (zie § 4).
toestand vóór de versnelde aantastingsproeven werd bepaald en het absoluut kleurverschil (∆E) werd berekend op basis van de verschillen tussen de resultaten van kleurmetingen, uitgevoerd vóór en na deze versnelde aantastingsproeven. Als kleursysteem werd het systeem L*a*b gekozen (metingen uitgevoerd met de Minolta Chroma Meter), dat een van de meest representatieve blijkt voor de “menselijke” waarneming van kleuren. In dat systeem stemt de waarde L* overeen met de helheid, terwijl de waarden a* en b* de chromatografische coördinaten aanduiden [9]. Het absoluut kleurverschil tussen twee monsters is gelijk aan :
❒ Witte verkleuring : – sterke verkleuring : de syenieten LABB en LABV – matige verkleuring : BALT – zeer matige verkleuring : de gabbros BELF, JASB en IMPA – geen verkleuring : de overige granieten.
met ∆E = absoluut kleurverschil, d.i. de afstand tussen resultaten van 2 kleurmetingen in het L*a*b*-systeem.
Deze witte verkleuring wordt veroorzaakt door een poederige substantie die zich afgezet heeft op het granietstaal. Het witte poeder kan meestal mechanisch (bijvoorbeeld door schrobben) vrij gemakkelijk verwijderd worden.
De resultaten van de kleur- en glansmetingen vóór en na de versnelde aantastingsproeven komen niet goed overeen met de visuele beoordeling van de kleurveranderingen. De voornaamste reden hiervoor is de heterogene kleur van de verschillende granieten en de soms zeer plaatselijke verkleuringen.
❒ Roestbruine verkleuring : – sterke verkleuring : AMAR en SARI – matige verkleuring : GIAL, BRAS, BALT en BIAN – zeer matige verkleuring : VERT en TARN – geen verkleuring : de overige granieten.
∆E*ab = [(∆L*)2 + (∆a*)2 + (∆b*)2]
1/2
De roestbruine verkleuring is op sommige granieten zeer plaatselijk met een zeer heterogene gestippelde verkleuring, of wordt bij andere granieten eerder als een sluier waargenomen.
De kleurverandering en het glansverlies van de verschillende granieten na de versnelde aantastingsproeven zijn in stijgende volgorde weergegeven (*) : ◆ PARA, BRAS, MULT en JACA ◆ BELF, IMPA en JASB ◆ BETH, LANH, ROSP, VERT, TARN, JUPA en AZUL ◆ BIAN, BALT en GIAL ◆ SARI, LABB en LABV.
Slijpplaatjes en polijstvlakjes, vervaardigd uit deze aangetaste proefstukken, vormen de basis voor het onderzoek naar het aantastingsmechanisme met de elektronenmicroscoop (SEM). De elektronenmicroscoop, uitgerust
(*) ROSM en AMAR werden niet opgenomen in deze lijst omdat ze geen polijsting hebben ondergaan.
7
ZOMER 1997
f
i
j d i s c h r
T
W
C
B
t
t
zakelijk geassocieerd is met de donkere mafische mineralen in de beschouwde granieten. Dit zijn al de mineralen die voornamelijk uit ijzer, magnesium en silicium bestaan. Het grootste aandeel van deze mineralen wordt gevormd door biotiet (zwarte mica) en het belangrijkste bestanddeel dat de roestbruine verkleuring teweegbrengt, is het aanwezige ijzer. Hierbij dient een onderscheid te worden gemaakt tussen tweewaardig ijzer (Fe2+) en driewaardig ijzer (Fe3+). Het aanwezige tweewaardig ijzer kan oxideren en bijvoorbeeld limoniet (ijzeroxide) vormen, terwijl het driewaardige ijzer bij de oxidatieproeven stabieler is. Onderzoek op opgeloste producten van kunstmatig verpulverde silicaatmineralen door W.D. Keller en A.L. Reesman [5] wees uit dat het aanwezige ijzer in biotiet zeer gevoelig is voor oxidatie en dat dit gepaard gaat met een vrij sterk exotherme reactie. Hierbij worden meestal stabiele ijzeroxiden gevormd. Het mineraal biotiet verweert tot chloriet of tot oxiden afhankelijk van de pH-waarde, de Eh-waarde en de concentraties van in het systeem opgelost magnesium.
Afb. 4 Microscopische analyse van een noriet (gabbro) Impala, ingevoerd uit Zuid-Afrika (vergroting : 32 ×). Deze graniet is voornamelijk samengesteld uit pyroxenen (gekleurd) en uit veldspaten (wit-grijs-zwart).
met een EDX-apparaat, maakt het mogelijk de nog onbekende accessorische mineralen en de door versnelde oxidatieproeven nieuwgevormde mineralen te identificeren. Aan de hand van deze analyses op de granieten Labrador Bleu, Labrador Vert en Baltic Brown hebben we vastgesteld dat de witte verkleuring veroorzaakt wordt door de vorming van gips (CaSO4.2H2O). Hierbij is er zwavel nodig, calcium-ionen en water. De bron voor zwavel is uiteraard SO2, ten volle aanwezig bij de versnelde zuurproef. Ook water is voldoende aanwezig, vermits een waterige SO2-oplossing gebruikt wordt. Het enige bestanddeel waarvan de bron onduidelijk is, is calcium. De gevoeligheid van graniet om een witte gipsverkleuring te verkrijgen, zal dan ook samenhangen met de beschikbaarheid van calcium.
Voor elk der 22 granieten werden het tweewaardig-ijzergehalte en het totaal ijzergehalte bepaald. Er werd echter geen directe relatie vastgesteld tussen de roestbruine verkleuring van sommige granieten na versnelde oxidatieproeven en het voorkomen van ijzer in deze stalen.
8
EVALUATIE VAN DE RESULTATEN
Eerst laten we opmerken dat onder de termen ‘verwerings-’, ‘aantastings-’ en ‘oxidatieproeven’ zowel de zuurproef als de water- en hitteproef verstaan wordt. Alhoewel de vorstproef ook een verouderingsproef is, wordt deze steeds aangeduid met de naam ‘vorstproef’.
In een verdere onderzoeksfase werd dus gezocht naar de bron van calcium die in deze drie granieten tot een sterke of matige witte verkleuring leidde. Met behulp van analyses met de EDX-elektronenmicroscoop en de optische microscoop kon als bron voor calcium o.a. volgende mineralen worden aangeduid : ◆ apatiet (calciumhoudend fosfaatmineraal) : Ca5 (PO4)3 (F, Cl, OH), in Labrador Bleu en Labrador Vert ◆ fluoriet (calciumfluoridemineraal) : CaF2, in Baltic Brown.
In verband met de evaluatie van de variaties die optreden als gevolg van de versnelde aantastingsproeven, kunnen we de volgende vaststellingen doen. Als we de waarden, gemeten voor de geluidssnelheid en de dynamische elasticiteitsmodulus, vergelijken vóór en na de blootstelling van de stalen aan de versnelde zuurproef, merken we op dat deze hoger zijn na blootstelling en dit voor al de onderzochte granieten. Dit is een onverwacht gegeven, vermits de elasticiteitsmodulus bij verouderingsproeven in het alge-
Een gedetailleerde visueel-macroscopische analyse van de stalen vóór en na de versnelde aantastingsproeven, gecombineerd met een petrografische analyse van de slijpplaatjes maakte duidelijk dat de roestbruine verkleuring hoofd8
ZOMER 1997
f
i
jd i s c h r
T
C
B
NDERZOEK t
t
O
W
meen eerder afneemt. Dit is zeker het geval bij blootstelling aan vorstproeven en in mindere mate bij de water- en hitteproef.
van 740 en 400 mm Hg, bemerken we geen significant verschil in de veranderingen van de elasticiteitsmodulus of de geluidssnelheid.
Analyses met de elektronenmicroscoop hebben uitgewezen dat bij de zuurproef een aantal mineralen omgezet wordt (kaolinitisatie van veldspaten, oxidatie van mica, ...), waarbij de vrijgekomen ionen in oplossing gaan en in de microscheurtjes uitkristalliseren in de vorm van sulfaten, carbonaten of andere mineralen. Dit heeft als gevolg dat een gedeelte van de microscheurtjes gevuld wordt, waardoor uiteindelijk de elasticiteitsmodulus of geluidssnelheid toeneemt.
Als we de strengste opeenvolgende aantastingsvoorwaarden beschouwen (serie 7), dan verkrijgen we de volgende stijgende volgorde voor de procentuele vermindering van de dynamische elasticiteitsmodulus en de geluidssnelheid : ◆ dynamische elasticiteitsmodulus : – ∆Edyn 10-20 % : AZUL, BRAS, PARA, BETH, JACA, SARI – ∆Edyn 20-30 % : MULT, TARN, VERT – ∆Edyn 30-40 % : BALT, BELF, JUPA, ROSP, BIAN, JASB, LABV – ∆Edyn > 40 % : GIAL, IMPA, LABB ◆ geluidssnelheid : – ∆ geluidssnelheid 0-10 % : AZUL, BRAS, PARA, BETH, JACA, SARI, BELF, BALT, MULT, VERT – ∆ geluidssnelheid 10-20 % : BIAN, IMPA, JASB, JUPA, LABV, ROSP, TARN – ∆ geluidssnelheid > 20 % : GIAL, LABB.
Hieruit kunnen we besluiten dat de geluidssnelheid en de dynamische elasticiteitsmodulus niet geschikt zijn om de variaties, die optreden als gevolg van de blootstelling van graniet aan de versnelde zuurproef, te evalueren. De glansverschillen, gemeten vóór en na de versnelde aantastingsproeven, komen vrij goed overeen met de visueel vastgestelde vermindering in glans na de versnelde zuurproef, en komen minder goed overeen met deze na blootstelling aan de water- en hitteproef.
9
TECHNISCHE CLASSIFICATIE EN BESLUITEN
De kleurverschillen, gemeten met de kleurmeter, zijn niet altijd eenduidig te correleren met deze die visueel werden genoteerd. De meest opvallende kleurverschillen, gemeten na de versnelde zuurproef op beide Labradors en op Baltic Brown, komen zeer duidelijk tot uiting in de berekende kleurverschillen alsmede in de helheidsverandering ‘lichter’ en ‘donkerder’ (parameter L*). De waarden voor de chromaticiteit (parameters a* en b*) komen niet zo duidelijk overeen met de visueel genoteerde, subtiele kleurverschillen. Hierbij dienen we echter op te merken dat de kleurverschillen vóór en na blootstelling aan de verweringsproeven over het algemeen minimaal zijn (uitgezonderd voor beide Labradors en voor Baltic Brown) en dat de kleurverschillen (voornamelijk roestvlekjes) dikwijls plaatselijk en dus zeer heterogeen zijn.
Voor dit onderzoek werden 22 granieten uitgebreid gekarakteriseerd en vervolgens onderworpen aan een hele reeks versnelde aantastingsproeven, namelijk oxidatieproeven, vorstbestendigheidsproeven en combinaties hiervan. Tenslotte werd getracht de veranderingen en aantastingen te evalueren en te verklaren. Hierbij werd vastgesteld dat, bij granieten die enkel vorstproeven ondergingen, geen significant verschil gemeten werd voor de veranderingen in geluidssnelheid en dynamische elasticiteitsmodulus. De proefstukken, daarentegen, die vóór de vorstproeven aan versnelde oxidatieproeven blootgesteld werden, vertonen wel duidelijk een vermindering van geluidssnelheid en dynamische elasticiteitsmodulus. We bemerken dus een synergetisch effect bij de scheurvorming door water- en hitteproef en de vorstwerking.
Het gebruik van een vacuüm van 740 mm Hg ten opzichte van 400 mm Hg, bij de waterimpregnering van de proefstukken vóór de vorstproef, resulteert enkel in een duidelijke procentuele vermindering van de dynamische elasticiteitsmodulus en de geluidssnelheid, indien de vorstproef voorafgegaan is door beide versnelde oxidatieproeven. Tussen de proefstukken van reeksen 8 en 9, die enkel de vorstproef ondergingen, respectievelijk bij een vacuüm
De resultaten van dit onderzoek hebben het mogelijk gemaakt een technische indeling van de bestudeerde granieten op te stellen (zie tabel 4, p. 10). Deze is een vereenvoudigde indeling van de wetenschappelijke classificatie die al de magmatische gesteenten onderverdeelt en beschrijft [6]. Het betreft een voorstel tot technische indeling, dat verder uitgewerkt zal worden in samenwerking met het Technisch Comité ‘Steen en Marmer’. 9
ZOMER 1997
f
i
j d i s c h r
T
W
C
B
t
t
AANWEZIGHEID VAN MICROSCHEURTJES
Tabel 4 Technische indeling van de bestudeerde granieten. TECHNISCHE KLASSE
P
V
M
WETENSCHAPPELIJKE INDELING EN BENAMING [6]
P1
hard - zeer hard bleek gekleurd
P2
hard - minder hard donker gekleurd
dioriet, gabbro, peridotiet
P3 - F
minder hard (foïd)
foïd
V1
hard - zeer hard donker gekleurd
V2
hard - minder hard bleek gekleurd
M1
hard - zeer hard
M2
hard - minder hard
Plutonisch
Vulkanisch
De duurzaamheid van een poreus bouwmateriaal in het algemeen wordt hoofdzakelijk bepaald door de wijze waarop water doorheen het materiaal kan migreren. Zowel bij vlekvorming door oxidatie als bij zuuraantasting of vorstwerking speelt vocht een grote rol. We hebben vastgesteld dat de totale porositeit bij al de onderzochte granieten zeer laag is (< 2,5 vol %).
graniet, syeniet
andesiet, basalt
Voorts kunnen we uit een microscopische analyse afleiden, dat de porositeit voornamelijk bestaat uit fijne microscheurtjes. Dit wordt bevestigd door de meetresultaten voor de microscheurdensiteit met behulp van beeldanalysetechnieken. Deze geven aan dat er een goede correlatie bestaat tussen de totale porositeit en de microscheurdensiteit. De aanwezigheid van een netwerk van fijne microscheurtjes in graniet verklaart ten dele de vrij grote waarden voor de vermindering van de elasticiteitsmodulus na de vorstproeven, terwijl nochtans visueel geen of bijna geen schade waargenomen wordt. De toename van de microscheurtjes is inderdaad visueel moeilijk te evalueren.
ryoliet Metamorf
orthogneis, migmatiet, kwartsiet, granuliet paragneis
Deze indeling biedt mogelijkheden voor een evaluatie en een beschrijving van granieten, afhankelijk van mogelijke duurzaamheidsaspecten in de bouwwereld. Zo zijn granieten behorend tot de klasse P3-F minder bestendig tegen agressieve stoffen. Dit geldt ook in mindere mate voor granieten uit de klasse V2 en M2.
AANWEZIGHEID VAN BEPAALDE ACCESSORISCHE MINERALEN
De technische indeling op zichzelf volstaat echter niet, omdat ze voornamelijk gebaseerd is op de relatieve hoeveelheden hoofdbestanddelen die aanwezig zijn in het gesteente. Kleurveranderingen worden echter meermaals veroorzaakt door transformaties van mineralen die slechts accessorisch aanwezig zijn (bijvoorbeeld apatiet in Labrador Bleu). De vorstgevoeligheid is dan weer gerelateerd met de poriënstructuur, die bij deze gesteenten voornamelijk uit microscheurtjes bestaat. Ook dit duurzaamheidsaspect staat niet steeds in direct verband met de genoemde indeling. Dit laatste komt duidelijk tot uiting in de twee gele granieten Juparana en Giallo Veneziano. Beide behoren tot de betere klassen P1 en M1 maar zijn reeds verweerd en daardoor minder bestendig dan andere granieten uit dezelfde klasse.
Uit het onderzoek is gebleken dat de kleurveranderingen, die optreden doordat de granieten onderworpen worden aan versnelde oxidatieproeven, kunnen onderverdeeld worden in twee hoofdgroepen. Een eerste groep betreft een roestbruine verkleuring die zeer lokaal als roestvlek of zeer algemeen als een sluier wordt waargenomen. Het belangrijkste element dat deze verkleuring teweegbrengt, is tweewaardig ijzer (Fe2+). Dit element wordt in de onderzochte granieten aangetroffen in verschillende, soms erg verscheiden mafische mineralen, waarvan het grootste aandeel gevormd wordt door donker mica (biotiet). Een tweede groep betreft een witte verkleuring, veroorzaakt door de vorming van gips. Het onderzoek heeft uitgewezen dat de gevoeligheid van graniet, om deze witte verkleuring te verkrijgen, samenhangt met de beschikbaarheid van calcium. ■
We kunnen besluiten dat naast de voorgestelde eenvoudige technische indeling van de verschillende granietsoorten er bijkomend dient rekening gehouden te worden met volgende twee karakteristieken : ◆ aanwezigheid van microscheurtjes ◆ aanwezigheid van bepaalde accessorische mineralen.
10
ZOMER 1997
f
i
jd i s c h r
T
C
B
NDERZOEK t
t
O
W
LITERATUURLIJST Maître R.W. 6 LeA classification of igneous rocks and glos-
1
Belgisch Instituut voor Normalisatie NBN B 15-230 Proeven op beton. Nietdestructieve proeven. Meting van de resonantiefrekwentie. Brussel, BIN, 1ste uitgave (met erratum), 1976.
sary of terms. Oxford (GB), Recommendations of the International Union of Geological Sciences, Blackwell Sc. Publ., 1989.
Ministerie van Verkeer en Infrastructuur Belgisch Instituut voor Normalisatie 2 NBN STS 34.03.06 Natuurleien. Brussel, MVI, 7 B 24-213 Proeven op metselstenen. Eengemaakte Technische Specificaties, 1987.
Wateropslorping onder vacuüm. Brussel, BIN, 1976.
F. 8 Muller Gesteinskunde. Ulm/Donau, Ebner Ver-
3
Belgisch Instituut voor Normalisatie NBN B 27-009 1 Keramische produkten voor wand- en vloerbekleding. Vorstbestendigheid. Vorstdooicyclussen. Brussel, BIN, Addendum 1 (vervangt NBN B 27-009, 1983), 1992.
lag-Naturstein Bibliothek, 1984.
A. 9 Pien Gevels van sierbeton. Eisen inzake kleur-
schakeringen. Brussel, WTCB-Tijdschrift, nr. 3, 1994.
4 NBN B 27-009 R Keramische produkten 10 Sims I. voor wand- en vloerbekleding. VorstbestandQuality and Durability of Stone for Belgisch Instituut voor Normalisatie
heid. Vorstdooicyclussen. Brussel, BIN, Addendum 2 (vervangt NBN B 27-009, 1983), 1995.
Construction. London, Quarterly Journal of Engineering Geology, nr. 24, 1991, p. 67-73.
J. en Elsen J. 11 Venstermans Optische microscopie van bouwmate-
5
Keller W.D. en Reesman A.L. Dissolved Products of Artificially Pulverised Silicate Minerals and Rocks, Part II. London, Journal of Sedimentary Petrology, nr. 33 (1), 1963, p. 191-204.
rialen met behulp van slijpplaatjes. Brussel, WTCB-Tijdschrift, nr. 2, 1994.
11
ZOMER 1997
f
i
j d i s c h r
