Mechanizm rozpadu piaskowców wywo³any krystalizacj¹ soli
Ewa S³aby*, Luiza Galbarczyk-G¹siorowska*, Jerzy Trzciñski*, Henryk Górka*,
Pawe³ £ukaszewski*, Agnieszka Dobrowolska*
Na podstawie testów krystalizacji siarczanów i azotanów zbadano mechanizm rozpadu triasowych i jurajskich piaskowców z SE obrze¿a G. Œwiêtokrzyskich w wyniku oddzia³ywania soli. Piaskowce z tego obszaru s¹ stosowane jako materia³ budowlany w architekturze Warszawy. Jako próbkê odniesienia zastosowano piaskowiec z fasady budynku LOT-u. Piaskowiec ten by³ poddany w ostatnim czterdziestoleciu oddzia³ywaniu zanieczyszczonej atmosfery centrum aglomeracji. W próbkach piaskowca z kamienio³omów (przed jak i po teœcie) oraz w próbce odniesienia zbadano wiêŸbê (sk³ad, mikrostrukturê, wykszta³cenie sk³adników), porowatoœæ i wytrzyma³oœæ. W wyniku krystalizacji siarczanów wyraŸnie wzros³a anizotropia struktury, zmala³a porowatoœæ i wytrzyma³oœæ. Widoczne jest os³abienie wiêŸby ska³y. Niezauwa¿alne jest ³ugowanie sk³adników spoiwa lub ziaren kwarcu. Krystalizacja azotanów redukuje porowatoœæ ska³y w znacznym stopniu przy zachowaniu prawie nienaruszonej wiêŸby. Jakkolwiek próbka referencyjna wykazuje œlady ³ugowania sk³adników piaskowca i niewielki wzrost przepuszczalnoœci ska³y to jednak najwa¿niejsz¹, zauwa¿aln¹ zmian¹ jest niszczenie wiêŸby. Wydaje siê, ¿e g³ównym mechanizmem niszczenia piaskowców w zabytkach Warszawy jest naprê¿enie wywo³ane krystalizuj¹c¹ sol¹. Rozsadzanie mechaniczne wiêŸby ska³y dominuje nad procesem ³ugowania sk³adników.
S³owa kluczowe: rozpad piaskowców, budowle Warszawy, krystalizacja soli, test laboratoryjny, analiza mikrostrukturalna, charakterystyka naprê¿enie-odkszta³cenie
Ewa S³aby, Luiza Galbarczyk-G¹siorowska, Jerzy Trzciñski, Henryk Górka, Pawe³ £ukaszewski & Agnieszka Dobrowolska — The mechanism of sandstone deterioration caused by salt crystallisation. Prz. Geol., 49: 124–133.
Summary. Tests of sulphate and nitrate crystallisation in Triassic and Jurassic sandstones from outcrops of the SE margin of the Holy Cross Mts were performed to determine the deterioration effect of salts on these rocks. The sandstones from this area have been used for centuries as a building stone material in the Warsaw architecture. As a reference sample a piece of the sandstone from the LOT building was used. During the last forty years this sandstone has been affected by atmospheric pollution derived from downtown. In sandstone samples from outcrops, as well as in a reference sample, fabric (composition, microstructures, habit of phases), porosity and durability were examined — before and after the tests. As a result of sulphate crystallisation, the anisotropy of the structure dis-tinctly increases, wheras the porosity and the durability decreases. The weakening of the rock fabric is visible. No leaching of matrix components or quartz grains is noticeable. The nitrate crystallisation reduces the porosity of the sandstone even to a greater extent; the fabric of a sample is still preserved. Although the reference sample shows traces of washing-out of sandstone components and a small increase of permeability, the most important change is a fabric destruction in the rock. The prevailing deterioration mechanism of sandstone destruction in Warsaw monuments seems to be linked to bursting salt crystallisation. The strain caused by the salt crystallisation prevails over the leaching of rock s components which is a process of lesse importance.
Key words: sandstone deterioration, Warsaw monuments, salt crystallisation, laboratory test, microstructural analysis, stress-strain characteristics
W budowlach zabytkowych Warszawy liczne elewacje, detale architektoniczne oraz rzeŸby s¹ wykonane z pia-skowców triasowych i jurajskich, które by³y dostarczane z kamienio³omów Gór Œwiêtokrzyskich. Okres intensywne-go stosowania tych materia³ów skalnych w architekturze stolicy rozpoczyna siê w XVI w. i mo¿na stwierdziæ i¿ trwa on do dziœ. Piaskowce te, zwane od miejsca ich eksploata-cji: tumliñskimi, kunowskimi, kieleckimi i szyd³owieckimi charakteryzuj¹ siê ciekaw¹ kolorystyk¹, jak i znaczn¹ odpornoœci¹ na procesy wietrzenia. Piaskowce triasowe charakteryzuj¹ siê barwami od wiœniowych do ró¿owych, jakkolwiek s¹ spotykane równie¿ piaskowce kremowe. Piaskowce jurajskie wykazuj¹ ca³¹ paletê odcieni od bieli poprzez barwy kremowe, szare do lekko brunatnawych. Sw¹ odpornoœæ piaskowce zarówno triasowe, jak i juraj-skie zawdziêczaj¹ sk³adowi mineralnemu, jak i teksturze. Te same cechy u³atwiaj¹ formowanie z nich nawet finezyj-nych detali. Z piaskowców kunowskich (liasowych) zosta³a wykonana m.in.: elewacja Pa³acu na Wodzie, mau-zoleum Potockich w Wilanowie oraz figura Matki Boskiej Passawskiej na Krakowskim Przedmieœciu. Z piaskowców kunowskich i szyd³owieckich (liasowych) wykonano
deta-le architektoniczne i rzeŸby w koœcio³ach: Œwiêtego Krzy-¿a, Wizytek, o.o. Pijarów i Karmelitów Bosych oraz tym-panon w Pa³acu Krasiñskich. Piaskowce kieleckie z ³omów w Krynkach (liasowe) i Do³ach Biskupich (retu) by³y mate-ria³em u¿ytym do wykonania dekoracji rzeŸbiarskiej w Pa³acu Ostrogskich i in. (Jarmontowicz i in., 1994). Znane s¹ liczne przyk³ady u¿ycia piaskowców w budowlach u¿y-tecznoœci publicznej powsta³ych w XIX, jak i XX w.
Szybkoœæ rozpadu piaskowców zale¿y od wielu czyn-ników. Stosowany w niniejszej pracy termin „rozpad”
obejmuje zarówno procesy wietrzenia wywo³ane
oddzia³ywaniem czynników naturalnych, jak i antropopre-sj¹. Anglojêzycznym odpowiednikiem stosowanego w pra-cy terminu „rozpad” jest wyra¿enie deterioration, które to wyra¿enie stosowane jest równie¿ w wersji spolszczonej „deterioracja” (Wilczyñska-Michalik & Michalik, 1995). Proces wietrzenia piaskowców jest sum¹ ró¿norodnych oddzia³ywañ natury chemicznej, fizycznej jak i biologicz-nej. Obserwuj¹c zachowanie piaskowców w zabytkowych budowlach Warszawy mo¿na odnieœæ wra¿enie, ¿e proces ich dezintegracji stymulowany jest g³ównie biodeterioracj¹ (ryc. 1), jak i krystalizacj¹ soli, indukowan¹ wp³ywami antropogenicznymi (ryc. 2). Celem pracy jest ukazanie mechanizmu rozpadu piaskowców retu i liasowych pod wp³ywem krystalizacji soli poprzez wykonanie symulacji krystalizacji tych¿e soli w warunkach laboratoryjnych. Tak
*Wydzia³ Geologii, Uniwersytet Warszawski, ul. ¯wirki i Wigury 93, 02-089 Warszawa
przeobra¿one piaskowce porównano do pia-skowców, które ponad czterdzieœci lat by³y wystawione na oddzia³ywanie atmosfery War-szawy. Próbki piaskowca przeobra¿onego pochodzi³y z p³yt ok³adzinowych elewacji zew-nêtrznej budynku LOT-u, zlokalizowanego przy jednej z najruchliwszych ulic Warszawy, ul. Waryñskiego.
Charakterystyka petrograficzna piaskowców retu i liasowych
Do testu krystalizacji siarczanów zosta³y pobrane próbki piaskowców triasowych (retu) z dwóch nieczynnych ³omów w Do³ach Biskupich oraz piaskowców jurajskich (liasowych) z nie-czynnych kamienio³omów: Krynki, Nietulisko (ryc. 3, 4). Piaskowce z Krynek nale¿¹ do cji sk³obskiej, a piaskowce z Nietuliska do forma-cji drzewickiej. Obie formacje prezentuj¹ œrodowisko sedymentacyjne p³ytkiego przybrze-¿a i pla¿y (Szyperko-Teller, 1997; Deczkowski, 1997; Maliszewska, 1997). Z ka¿dego kamie-nio³omu pobrano i poddano badaniom piêæ pró-bek.
Petrografia osadów pstrego piaskowca by³a przedmiotem licznych badañ (patrz m.in. Kuber-ska, 1997). Dlatego te¿ poni¿ej przedstawiono jedynie podstawowe informacje o petrografii pobranych do badañ próbek.
Piaskowiec z Do³ów Biskupich. Pobrano dwie próbki piaskowca ró¿ni¹ce siê barw¹. Jedna z próbek mia³a barwê szar¹ na œwie¿ym prze³amie. Po spatynowaniu piaskowiec mia³ zabarwienie lekko ró¿owe. Druga próbka mia³a zabarwienie kremowe. Obie próbki maj¹
podob-A
B
Ryc. 1. Ubytki substancji skalnej w piaskowcowej wazie, Stara Pomarañczar-nia, £azienki; A — widok ogólny, B — detal ukazuj¹cy dezintegracjê granu-larn¹ i ³uszczenie
Fig. 1. Losses of the sandstone material — a vase from the Old Orangery, £azienki; A — general view, B — detail showing granular desintegration to crumbling
A
B
C
Ryc. 2. Rozpad piaskowca, studnia w Parku £azienkowskim, A —widok ogólny, B — dezintegracja granularna, C — wykwity solne
Fig. 2. Sandstone deterioration, a well in the £azienki garden, A — general view, B — granular disintegration, C — salt efflorescences
trias Triassic T3 T2 T1 dewon Devonian D2 D1 Warszawa Kielce Do³y Biskupie Krynki Nietulisko Ma³e D2 51°00’ 21°20’ dyslokacje dislocations dyslokacje prawdopodobne probable dislocations D1 T3 T2 J3 J2 J1 jura Jurassic J1 J2 J3 T1 0 2 4km
®
Ryc. 3. Szkic paleogeograficzny osadów triasu i jury po³udniowo-wschod-niego obrze¿enia Gór Œwiêtokrzyskich (Wróblewski & Wróblewska, 1961) Fig. 3. Paleogegraphic map of Triassic and Jurassic sediments in the SE margin of the Holy Cross Mts. (Wróblewski & Wróblewska, 1961)
ny sk³ad litologiczny. Jest to piaskowiec sublityczny o uziarnieniu grubszym od pozosta³ych dwóch piaskowców jurajskich, omawianych poni¿ej. Litoklasty wystêpuj¹ w iloœci prawie 25% objêtoœciowych i s¹ to fragmenty cytów oraz sporadycznie ska³ wêglanowych. Ziarna kwar-cu maj¹ zwykle zarysy automorficzne i oblepione s¹ spoiwem krzemionkowo-ilastym (ryc. 5a-1, 2). W wielu miejscach spoiwo to rekrystalizuje w chalcedon. Minera³em ilastym w spoiwie jest illit i kaolinit. Obok ziaren kwarcu wystêpuj¹ pojedyncze kryszta³y tlenków Fe-Ti, turmalinu, cyrkonu oraz biotytu.
Sk³ad petrograficzny piaskowców liasowych opisa-nych poni¿ej, jak równie¿ ich geneza zosta³y dok³adnie opracowane przez Maliszewsk¹ (patrz m.in. Maliszewska & Teofilak, 1967, 1968, Maliszewska, 1997). Poni¿ej przedstawiono skrótowy opis próbek pobranych do badañ.
Piaskowiec z Krynek. Jest to jasnokremowy piasko-wiec drobnoziarnisty, kwarcowy o spoiwie krzemion-kowo-ilastym. Ziarnom kwarcu towarzysz¹ doœæ liczne minera³y ciê¿kie: tlenki Fe-Ti, cyrkon, turmalin oraz œlado-we iloœci roz³o¿onych ³yszczyków. Ziarna kwarcu s¹
niefo-remne, oblepione spoiwem krzemionkowym oraz
kaolinitowym (ryc. 5b-1, 2). Piaskowiec jest niemal¿e pozbawiony litoklastów.
Piaskowiec z Nietuliska. Jest to piaskowiec kwarcowy o uziarnieniu nieco grubszym od piaskowca z Krynek. Jego sk³ad mineralny jest bogatszy. Jakkolwiek dominuj¹cym sk³adnikiem jest kwarc to jednak pojawiaj¹ siê równie¿ litoklasty m.in. kwarcytów w iloœci do 5% objêtoœciowych. Powierzchnia ziaren kwarcu jest zniszczona, z licznymi œladami korozji (ryc. 5c-1, 2). Towarzysz¹ im pojedyncze ziarna turmalinu, biotytu i tlenków Fe-Ti. Spoiwo pia-skowca to g³ównie krzemionka z niewielk¹ domieszk¹
illi-tu. Wype³nia ono niewielk¹ czêœæ przestrzeni
miêdzyziarnowej. Ma charakter kontaktowy. Kremowa barwa piaskowca jest ciemniejsza od piaskowca z Krynek.
Badania eksperymentalne
Test krystalizacji soli. Symulacjê badania odpornoœci ska³y na rozpad w wyniku krystalizacji soli przeprowadzo-no w oparciu o przeprowadzo-norm¹ niemieck¹ DIN 52 111 Prüfung von
Naturstein und Gesteinskörnungen; Kristallisationsver-such mit Natriumsulfat tj. test krystalizacji siarczanu sodu
w próbkach skalnych. W celu porównania mechanizmu oddzia³ywania ró¿nych soli dodatkowo wykonano test kry-stalizacji azotanów. Zarówno azotany sodu, jak i siarczany sodu powstaj¹ pospolicie w budowlach czerpi¹c sk³adniki z wód opadowych, gruntowych, rozpuszczanych ekskre-mentów, jak i z zapraw ³¹cz¹cych poszczególne detale architektoniczne wykonane z materia³ów skalnych. Zapra-wy s¹ g³ównym dostarczycielem alkaliów dla krystali-zuj¹cych soli. Symulacja laboratoryjna krystalizacji siarczanów i azotanów nie odpowiada w pe³ni warunkom, w jakich powstaj¹ one w budowlach. Powstawanie bowiem soli w budowlach silnie wspomagane jest dzia³alnoœci¹ mikroorganizmów (Bock & Krumbein, 1988). W wypadku obu wymienionych soli tak¹ rolê odgrywaj¹ bakterie. Nie-mniej mechanizm oddzia³ywania ju¿ wykrystalizowanej soli na wiêŸbê ska³y bêdzie podobny bez wzglêdu na to czy geneza tej¿e soli jest wynikiem procesu o charakterze nie-organicznym czy mieszanym. Dlatego wydaje siê, ¿e testy
krystalizacji soli mog¹ byæ u¿ytecznym narzêdziem przy diagnozowaniu odpornoœci ska³y na dzia³anie czynników antropogenicznych.
Symulacja wg DIN 52 111 obejmuje dwa cykle
nasyca-nia próbek roztworami Na2SO4 o zmiennym stê¿eniu. W
pierwszym cyklu roztwór jest nasycony, w drugim jego stê-¿enie wynosi 10g/100 ml. Nasycanie znormalizowanej próbki trwa 16 godzin. Po ka¿dym cyklu próbka suszona jest do sta³ej wagi (6 godzin) w temperaturze 110°C. Licz-ba cykli krystalizacji soli z roztworów nasyconych wynosi 10, z roztworów nienasyconych 50. Zmiany masy próbki s¹ rejestrowane po ka¿dym cyklu.
W wyniku nas¹czania próbki roztworem soli siarczanu sodu nastêpuje krystalizacja syntetycznego mirabilitu. Suszenie próbki powoduje zmianê struktury wykrystalizo-wanej soli przy dehydratacji. Mirabilit przechodzi w tenar-dyt. Ponowne nas¹czanie roztworem próbki skutkuje ponownym przejœciem fazowym tenardytu w mirabilit, jak i dalsz¹ swobodn¹ krystalizacj¹ mirabilitu z roztworu. Siarczan sodu wybierany jest do testu krystalizacji ze wzglêdu na jedn¹ z najwiêkszych zmian objêtoœciowych przy przejœciu fazowym pomiêdzy postaci¹ uwodnion¹ i bezwodn¹. WskaŸnik wzrostu objêtoœci dla tej reakcji wynosi 4,2. Dla przyk³adu przejœcie bassanitu w gips skut-kuje tylko wzrostem objêtoœci 1,4.
W celu zbadania mechanizmu oddzia³ywania krystali-zuj¹cych soli na piaskowce liasowe wykonano dwutygo-dniow¹ symulacjê z u¿yciem nienasyconego roztworu siarczanu sodu. Dla porównania mechanizmu niszcz¹cego oddzia³ywania siarczanów na teksturê ska³y, wykonano rów-nie¿ symulacjê krystalizacji syntetycznego nitronatrytu. Do symulacji u¿yto roztworu 10g/100 ml azotanu sodu. Nitrona-tryt jest sol¹ bardzo czêsto pojawiaj¹c¹ siê w materia³ach skal-nych w budowlach. Jest to sól bezwodna. Jej oddzia³ywanie na piaskowce powinno byæ odmienne od siarczanu sodu.
Ograniczenie symulacji, do dwóch tygodni, zamiast przewidzianych norm¹ 6 tygodni mia³o na celu przeœledze-nie i zidentyfikowaprzeœledze-nie mechanizmu deterioracji piaskowca w pocz¹tkowych etapach krystalizacji soli, gdy procesy destrukcji s¹ stosunkowo dobrze widoczne, a nie powoduj¹ jeszcze zupe³nej dezintegracji ska³y.
Analizê fazow¹ próbek przed symulacjami, jak i po symulacjach wykonano przy pomocy mikroskopu elektro-nowego z mikroanalizatorem oraz klasycznego mikrosko-pu polaryzacyjnego. Zbadano zmiany masy w trakcie symulacji, zmiany porowatoœci i wytrzyma³oœci próbek przed i po symulacjach.
Badania porowatoœci. Jedn¹ z najwa¿niejszych cech strukturalnych materii skalnej jest jej porowatoœæ. Ka¿da ska³a jest oœrodkiem w ró¿nym stopniu porowatym. Elementy strukturalne (sk³adniki mineralne) buduj¹ce szkielet ka¿dej ska³y tworz¹ ró¿norodne uk³ady. Pomiêdzy tymi elementami znajduje siê przestrzeñ porowa, któr¹ tworz¹ poszczególne przestrzenie o ró¿nych wymiarach i nazywane porami. Pory mog¹ byæ wype³nione ciecz¹ lub gazem. Suma objê-toœci wszystkich porów w skale sk³ada siê na jej porowa-toœæ ca³kowit¹. Pory mog¹ byæ klasyfikowane ze wzglêdu na ich morfologiê (kszta³t), wielkoœæ (wymiar) oraz sposób rozmieszczenia (u³o¿enie). Opracowano klasyfikacjê porów uwzglêdniaj¹c ich morfologiê i wielkoœæ (Grabowska-Ol-szewska, 1983; Grabowska-Olszewska i in., 1984). Ze wzglêdu na morfologiê wyró¿nia siê pory: izometryczne,
anizometryczne, szczelinowate, a ze wzglêdu na ich wymiar: ultrapory, mikropory, mezopory oraz makropory.
Oznaczenia porowatoœci próbek wykonano metod¹ ilo-œciowej analizy mikrostrukturalnej. Iloœciow¹ analizê mikrostrukturaln¹ w skaningowym mikroskopie
elektro-nowym (SEM) przeprowadzono dziêki zastosowaniu
sys-temu SEM — komputer oraz specjalistycznego
oprogramowania (Kaczyñski & Trzciñski, 1997; Trzciñ-ski, 1998). Analiza ta pozwoli³a z du¿¹ dok³adnoœci¹ oce-niæ cechy morfometryczne i geometryczne przestrzeni porowej piaskowców. Powierzchniê próbki, na której prze-prowadzono analizy, przygotowano w taki sposób, aby by³a równa, pozbawiona wyszczerbieñ i wystaj¹cych ele-mentów. Powierzchniê tak¹ uzyskano dziêki otrzymaniu równego prze³amu, który oczyszczono taœm¹ adhezyjn¹ i strumieniem powietrza. Program STIMAN — Structural
Image Analysis (Sergeev i in., 1984; Osipov i in., 1989)
umo¿liwi³ rejestracjê i opracowanie cyfrowych obrazów przygotowanych w SEM oraz obliczenie iloœciowych para-metrów mikrostruktury. Analizê przeprowadzono przy powiêkszeniach 50, 100 i 200 razy, badaj¹c po dwie próbki piaskowca przed i po teœcie.
G³ównymi parametrami morfometrycznymi wyzna-czanymi przy pomocy iloœciowej analizy mikrostruktural-nej w SEM by³y: œrednica D, powierzchnia S, obwód P porów, porowatoœæ n oraz ca³kowita liczba porów N. W celu oceny kszta³tu porów zosta³ wyznaczony
wspó³czyn-nik formy elementów strukturalnych Kf(ryc. 6c-1, 2). Im
pory s¹ bardziej wyd³u¿one i p³askie, tym wartoœæ wspó³czynnika bli¿sza jest zeru. Dla porów coraz bardziej okr¹g³ych wartoœæ jego zbli¿a siê do jednoœci. Inn¹ wa¿n¹ cech¹ geometryczn¹ mikrostruktury jest orientacja elemen-tów strukturalnych. Przedstawiona zosta³a ona za pomoc¹ diagramu ko³owego — ró¿y orientacji oraz przewa¿aj¹cego kierunku orientacji " (ryc. 6b-1, 2). Na podstawie ró¿y
orien-tacji wyznaczono wskaŸnik anizotropii mikrostruktury Ka
(ryc. 6b-1, 2), który pokazuje stopieñ orientacji elementów strukturalnych. WskaŸnik ten ma równie¿ du¿e znaczenie inter-pretacyjne. Im elementy strukturalne s¹ bardziej wyd³u¿one i lepiej zorientowane, tym wartoœæ tego parametru ma wy¿sz¹
Ryc. 4. Nieczynny ³om piaskowca w Krynkach Fig. 4. Abandoned sandstone open pit in Krynki
a – 1 b – 1 c – 1
a – 2 b – 2 c – 2
50µm 20µm 20µm
5µm 5µm 5µm
Ryc. 5. Obraz SEM piaskowców; a-1 — piaskowiec z Do³ów Biskupicha, a-2 — ziarna kwarcu powleczone spoiwem krzemionko-wo-ilastym piaskowcu z Do³ów Biskupich, b-1 — piaskowiec z Krynek, b-2 — oblepione spoiwem ziarna kwarcu z piaskowca z Kry-nek, c-1 — piaskowiec z Nietuliska, c-2 — powierzchnia ziarna kwarcu z piaskowca z Nietuliska
Fig. 5. SEM picture of sandstones; a-1 — sandstone sample from Do³y Biskupie, a-2 — quartz grains coated with siliceous matrix, sandstone from Do³y Biskupie, b-1 — sandstone sample from Krynki, b-2 — quartz grains covered by matrix, sandstone from Krynki, c-1 — sandstone sample from Nietulisko, c-2 — surface of a quartz grain in a sandstone from Nietulisko
wartoœæ, a ró¿a orientacji ma kszta³t coraz bardziej wyd³u¿onej elipsy.
Badania wytrzyma³oœci. Badania wytrzyma³oœci na jednoosiowe œciskanie piaskowców przeprowadzono w laboratorium Zak³adu Geomechaniki przy wykorzystaniu prasy sztywnej z elektronicznie sterowanym postêpem obci¹¿enia i odkszta³cenia MTS-815.
W badaniach tych próbki skalne œciskano ze sta³¹ prêd-koœci¹ przyrostu naprê¿enia 0,5 MPa/s.
W czasie trwania badañ prowadzono za pomoc¹ spe-cjalnych czujników dok³adn¹ rejestracjê odkszta³ceñ
osio-wych gz i obwodowych gx,y, co umo¿liwi³o okreœlenie
odkszta³ceñ objêtoœciowych gv z zale¿noœci:
gv=gz+2gx,y
Na podstawie badañ wytrzyma³oœciowych w warun-kach jednoosiowego œciskania sporz¹dzono charakterysty-kê zale¿noœci miêdzy naprê¿eniem i odkszta³ceniem
osiowym gzoraz obwodowym gx,yi objêtoœciowym gvoraz
wyznaczono nastêpuj¹ce parametry geomechaniczne:
0
0,10092 0,20185 0,30277 0,40370 0,50462 0,60555 0,70647 0,80740 0,90832 1,00924
Kf
1,4215 1,6135 2,5665 2,3763 0,9123 0,5304 0,4456 0,0212
Ni/N*1
Copyright (c) STIMAN (Ver. 2.07.) 14.02.95 Specimen :pts2 Total number of pores = 467 Porosity = 26,987%
F7 - Distribution according to form index Min= 0,20246 Max= 0,92591 Mid= 0,49029 Dis= 0,15442 ; Nse= 467
0
0,10068 0,20136 0,30204 0,40272 0,50340 0,60408 0,70476 0,80544 0,90612 1,00680
Kf
0,4382 2,1910 2,8848 1,8988 0,8764 1,5703 0,0730
Ni/N*1
Copyright (c) STIMAN (Ver. 2.07.) 14.02.95 Specimen :ptn2 Total number of pores = 272 Porosity = 16,278%
F7 - Distribution according to form index Min= 0,22403 Max= 0,89098 Mid= 0,50697 Dis= 0,14878 ; Nse= 272
Copyright (c) STIMAN (Ver. 2.07.) 14.02.95 Specimen :ptn2 Total number of pores = 272 Porosity = 16,278%
0 19662,5 S ( m )µ 2 Si/S 614,453 0,2752 0,0737 0,0390 0,0216 0,0578 0,0342 0,0414 0,0151 0,0542 0,0210 0,0783 0,0580 0,0341 0,0753 0,0824 0,0881 0,0681 12 28 ,9 1 1843,36 2457 ,8 1 3072,27 3686,72 4301,17 4915,62 5530,08 6144,53 6758,98 7373,44 7987,89 8602,34 9216,80 9831,25 10445,7 11060,2 11674,6 1228 9, 1 12903,5 13518,0 14132,4 14746,9 15361,3 15975,8 16590,2 17204,7 1781 9, 1 19048,0 18433,6
F7 - Distribution according to total areas TSi = 1 0 75010,5 S ( m )µ 2 Si/S 2344,08 0,2752 0,0876 0,0822 0,0183 0,0459 0,0285 0,0724 0,0449 0,0821 0,0937 0,1704 72666,5 70322,4 67978,3 65634,2 63 29 0, 1 60 94 6, 1 58602,0 56257,9 53913,8 51569,8 49225,7 46881,6 44537,5 42193,4 39849,4 37505,3 35161,2 32 81 7, 1 30473,0 28129,0 25784,9 23440,8 21096,7 18752,6 16408,6 14064,5 11720,4 9376,32 7032,24 4688,16
Copyright (c) STIMAN (Ver. 2.07.) 14.02.95 Specimen :pts2 Total number of pores = 467 Porosity = 26,987%
F7 - Distribution according to total areas TSi = 1 a – 1 a – 2 b – 1 c – 1 b – 2 c – 2 d – 1 d – 2 K =7,7%a α=82,1° α α α=59,1° K =11,2%a 100µm 100µm
Ryc. 6. Wyniki iloœciowej analizy mikrostrukturalnej dla piaskowca z Nietuliska przed i po teœcie krystalizacji siarczanów; a-1 — obraz SEM piaskowca przed testem krystalizacji, a-2 — obraz SEM piaskowca po teœcie krystalizacji, b-1 — diagram anizotropii mikrostruktury próbki przed testem, b-2 — diagram anizotropii mikrostruktury próbki po teœcie, c-1— histogram rozk³adu wspó³czynnika formy porów w próbce przed testem, c-2 — histogram rozk³adu wspó³czynnika formy porów w próbce po teœcie, d-1 — histogram rozk³adu powierzchni porów w próbce przed testem, d-2 — histogram rozk³adu powierzchni porów w próbce po teœcie Fig. 6. The results of the microstructural analysis for a sandstone from the Nietulisko quarry performed before and after the sulphates crystallisation test; a-1 — SEM picture of the sandstone before the crystallisation test, a-2 — SEM picture of the sandstone after the crystallisation test, b-1— anisotropy diagram of the sample microstructure before the test treatment, b-2 — anisotropy diagram of the sample microstructure after the test treatment, c-1 — histogram of the distribution of the pore form index in the sample before test tre-atment, c-2 — histogram of the distribution of the pore form index in the sample after test tretre-atment, d-1— histogram of the distribu-tion of a pores area in the sample before test treatment, d-2 — histogram of the distribudistribu-tion of a pores are in the sample after the test treatment
wytrzyma³oœæ na jednoosiowe œciskanie Rcwed³ug
wzoru:
Rc= Pmax/A (MPa)
gdzie:
Pmax — maksymalne (krytyczne) obci¹¿enie próbki
(kN),
A — pole powierzchni przekroju poprzecznego próbki
(m2).
modu³ Younga E oraz wspó³czynnik Poissona <
odpowiednio dla liniowej charakterystyki F — gzi F— gz,
gx,y, gvwed³ug wzoru:
E = ( )F )/()gz) (MPa), < = gx,y/gz
gdzie:
)F — przyrost naprê¿enia jednoosiowego (MPa),
)gz — przyrost jednostkowego odkszta³cenia
osiowe-go,
modu³ odkszta³cenia objêtoœciowego K wed³ug wzoru:
K = E/3(1-2<) (MPa)
dynamiczny modu³ œcinania G wed³ug wzoru:
G = E/2(1+<) (MPa)
Wyniki badañ
Zmiany masy próbki — test krystalizacji siarcza-nów. Wszystkie próbki po pierwszym nas¹czaniu wykaza³y straty masy, jakkolwiek ubytki masy nie by³y jednakowe (ryc. 7). Ubytki te nale¿y t³umaczyæ naruszeniem wiêŸby piaskowca w trakcie wycinania sformatowanych kszta³tek. Najszybsze ubytki masy zaobserwowano w piaskowcu z Nietuliska, najwolniejsze w piaskowcu z Do³ów Biskupich.
Po pierwszej fazie, charakteryzuj¹cej siê ubytkiem masy, próbki piaskowców z Krynek i Do³ów Biskupich zaczê³y powiêkszaæ masê. Proces ten uleg³ zahamowaniu po mniej wiêcej siedmiu cyklach. Nastêpny etap charakte-ryzuje siê utrat¹ masy próbek. Proces ten jest szybszy w przypadku piaskowca z Krynek.
Nieco odmiennie zachowuje siê piaskowiec z Nietuli-ska. Traci on masê przez pierwsze piêæ cykli, zwiêksza przez nastêpne dwa cykle, aby ponownie zacz¹æ zmniej-szaæ masê w nastêpnych siedmiu cyklach.
Krystalizuj¹cy siarczan, syntetyczny mirabilit ju¿ w pierwszym cyklu usuwa z powierzchni najs³abiej zwi¹zane ziarna. Suszenie próbki po nas¹czaniu powoduje przejœcie fazowe mirabilitu w tenardyt. W piaskowcu o ma³ej iloœci spoiwa, naprê¿enia wywo³ane sta³¹ zmian¹ postaci siarcza-nu: siarczan uwodniony (mirabilit) ® siarczan bezwodny (tenardyt) ® siarczan uwodniony (mirabilit) powoduj¹ szybk¹ dezintegracjê ska³y. Siarczany krystalizuj¹ zarów-no na powierzchni próbki, jak i w jej wnêtrzu (ryc. 8a-1, 2). Piaskowce mniej porowate, z wiêksz¹ iloœci¹ spoiwa pocz¹tkowo kumuluj¹ krystalizuj¹cy siarczan. Proces dez-integracji nastêpuje z pewnym opóŸnieniem. Krystalizacja siarczanów powoduje rozsadzanie mechaniczne piaskow-ców. Wydaje siê, ¿e naprê¿enia wywo³ane krystalizacj¹ soli s¹ jedynym czynnikiem niszcz¹cym próbki. Korozja kwarcu w roztworach o obojêtnym odczynie jest procesem bardzo powolnym, szczególnie poni¿ej pH 9,9. Sta³a
reak-cji dla ³ugowania kwarcu wynosi Kq=1x10-4 (Drever,
1982). Nieco szybsze jest rozpuszczanie amorficznej
krze-mionki Kaq=2x10-3. Przy tak krótkim czasie symulacji
zmiany wywo³ane ³ugowaniem sk³adników s¹ niezauwa-¿alne przy stosowanym warsztacie badawczym.
Zmiany masy próbki — test krystalizacji azotanów. Syntetyczny nitronatryt pojawia siê w próbkach w postaci kulistych skupieñ lub polew (ryc. 8b-1, b-2). Wszystkie próbki w trakcie krystalizacji syntetycznego nitronatrytu wykazywa³y wzrost masy (ryc. 9). Najwiêkszy przyrost masy odnotowano w piaskowcu z Nietuliska, najmniejszy w próbce o najni¿szej porowatoœci z Do³ów Biskupich. Krystalizuj¹cy nitronatryt zachowuje siê jak spoiwo.
Zmiany porowatoœci próbek. Badania porowatoœci przeprowadzono dla próbek poddanych zarówno symulacji krystalizacji siarczanów, jak i azotanów. Poni¿ej omówio-ne zostan¹ wyniki oznaczeñ porowatoœci dla najbardziej porowatego piaskowca: z Nietuliska przed i po testem krystali-zacji siarczanów. Obserwowane zmiany w próbkach piaskow-ca z Nietuliska daj¹ najpe³niejszy wgl¹d w mechanizm zmian wywo³any krystalizacj¹ soli.
Otrzymane wyniki zestawiono w tabeli 1 i 2. Z przepro-wadzonych badañ wynika, ¿e: œrednie wartoœci parame-trów przestrzeni porowej piaskowca po teœcie s¹ ni¿sze ani¿eli przed jego przeprowadzeniem. Porowatoœæ pia-skowca w wyniku przeprowadzonego eksperymentu obni¿y³a siê o ok. 7% w stosunku do porowatoœci przed testem. Zdecydowana wiêkszoœæ parametrów przestrzeni
porowej (N, Dav, Sav, Pav, Kf, Ka) ma
bar-dziej zró¿nicowane wartoœci skrajne przed testem ni¿ po jego przeprowa-dzeniu (tab. 1). Zmniejszy³a siê iloœæ makro- i mezoporów w przestrzeni porowej piaskowca po teœcie (tab. 2). Rozk³ad wspó³czynnika formy porów
Kf (ryc. 6c-1, 2) dla próbek przed
testem ma przebieg normalny, a po teœcie zmienia siê na bimodalny. Jest to wynikiem spadku iloœci porów izome-trycznych oraz wzrostu iloœci porów szczelinowatych w piaskowcu po
eks-perymencie. WskaŸnik anizotropii
mikrostruktury Ka wzrós³ prawie
dwu-krotnie, od 6,2% dla próbek przed testem do 11,3% dla próbek po teœcie krystalizacji siarczanów. Przewa¿aj¹cy kierunek orientacji porów " zmienia siê
Parametry mikrostruktury Przed testem Po teœcie
R x R x
Porowatoœæ n % 25,3–27,0 26,2 16,3–22,2 19,3
Liczba porów N x 103 0,2–0,5 0,35 0,3–0,4 0,35
Œrednia œrednica porów Dav mm 22,6–32,4 27,5 26,4–26,8 26,6
Ca³kowita powierzchnia porów Stx 103:m2 440–469 455 289–444 367
Œrednia powierzchnia porów Savmm2 942–2056 1499 1033–1061 1047
Ca³kowity obwód porów Ptx103mm 74–97 86 64–100 82
Œredni obwód porów Pavmm 209–327 268 233–234 234
Œredni wspó³czynnik formy porów Kfav 0,49–0,54 0,52 0,49–0,51 0,50
Przewa¿aj¹cy kierunek orientacji porów "o 65–82 74 59–73 66
WskaŸnik anizotropii mikostruktury Ka% 4,6–7,7 6,2 11,2–11,3 11,3
R — przedzia³ zmiennoœci, x — œrednia arytmetyczna
Tab. 1. Wyniki iloœciowej analizy mikrostrukturalnej dla piaskowca z Nietuliska przed i po teœcie krystalizacji siarczanów — parametry mikrostruktury
z bardziej pionowego dla próbek przed eksperymentem na bardziej poziomy dla próbek po eksperymencie.
Zmiany porowatoœci w próbkach poddanych testowi krystalizacji azotanów s¹ podobne do tych zaobserwowa-nych przy krystalizacji siarczanów. S¹ jednak pewne ró¿ni-ce. Krystalizacja azotanów powoduje drastyczn¹ redukcjê porowatoœci o prawie 56%. Zanikaj¹ pory wiêksze. W próbkach poddanych testowi krystalizacji azotanów nie wzrasta liczba porów szczelinowatych, jak równie¿ nie obserwuje siê wyraŸnej zmiany wspó³czynnika anizotropii mikrostruktury ska³y.
Zmiany wytrzyma³oœci próbek. Wyniki badañ wytrzyma³oœciowych przedstawiono w tab. 3, a
przyk³ado-we charakterystyki naprê¿enie–odkszta³cenie piaskowców przed i po teœcie krystalizacji siarczanów na ryc. 10. Prezen-towane dane dotycz¹ próbki, dla której uzyskano maksymal-ne wartoœci parametrów geomechanicznych przed testem krystalizacji tj. dla piaskowca z Do³ów Biskupich.
W wyniku testu krystalizacji wytrzyma³oœæ próbki na jednoosiowe œciskanie uleg³a drastycznej redukcji. W prób-ce nast¹pi³ znaczny przyrost odkszta³prób-ceñ osiowych i objêto-œciowych. Szczególnie dobrze jest widoczny on w pierwszej fazie kompakcji tj. zaciskania porów i szczelin (ryc. 10B). Obni¿enie wytrzyma³oœci dobrze obrazuj¹ czterokrotne zmia-ny wartoœci takich parametrów geomechaniczzmia-nych, jak modu³ Younga, modu³ odkszta³cenia objêtoœciowego, dynamiczny modu³ œcinania. Próbki poddane badaniom wytrzyma³oœcio-wym, po teœcie krystalizacji, wykazuj¹ system spêkañ w p³asz-czyznach do siebie równoleg³ych, co potwierdzaj¹ wyniki badañ mikrostrukturalnych wskazuj¹ce na wzrost anizotropii struktury.
Krystalizacja azotanów nie powoduje drastycznych zmian w parametrach wytrzyma³oœciowych piaskowca.
Stan zachowania piaskowca z ok³adziny budynku LOT-u
Próbki piaskowca liasowego z ok³adziny budynku LOT-u poddano nastêpuj¹cym badaniom: analiza mikro-skopowa (mikroskop skaningowy), badania wytrzyma³oœci w stanie powietrzno-suchym oraz w stanie nasycenia wod¹ (zgodnie z norm¹ PN-84/B-04110), badania nasi¹klowoœci zwyk³ej (zgodnie z norm¹ PN-85/B-04101). Œciskano próbki walcowate o œrednicy 3,56 cm przy szybkoœci wzro-stu naprê¿enia od 0,5–1,0 MPa/s.
Uzyskane parametry wytrzyma³oœciowe porównano z analogicznymi dla piaskowca szyd³owieckiego (liasowego) z kamienio³omu „Œmi³ów”, z którego najprawdopodobniej przed 40 laty pozyskano materia³ na elewacjê (tab. 4).
Obserwacje mikroskopowe ska³y œwie¿ej i poddanej oddzia³ywaniu atmosfery wielkiej aglomeracji wskazuj¹ na zasadnicze ró¿nice. Powierzchnia ziaren piaskowca z ok³adziny jest wyraŸnie ³ugowana (ryc. 11a–c). Spomiêdzy ziaren zosta³a usuniêta czêœæ spoiwa. Powiêkszona zosta³a przestrzeñ miêdzyziarnowa. Przeobra¿enia takiego nale-¿a³o oczekiwaæ bior¹c pod uwagê wiêksz¹ wra¿liwoœæ krze-mionki ze spoiwa na ³ugowanie. Wymiar obu zmian, jakkolwiek ³atwych do zaobserwowania, nie przekracza kilku procent objêtoœciowych próbek. O ile zmiany w zawartoœci spoiwa nale¿y uznaæ za ewidentne, to wygl¹d powierzchni ziaren kwarcu w obu próbkach niekoniecznie musi byæ wyni-kiem ³ugowania indukowanego wp³ywami antropogeniczny-mi. Podobne œlady ³ugowania ziaren kwarcu mo¿na zaobserwowaæ w piaskowcu z kamienio³omu w Nietulisku (ryc. 5c-2). Charakterystyka piaskowców z Nietuliska i Œmi³owa jest bardzo podobna. Samo pochodzenie piaskowca z ok³adziny nie zosta³o dok³adnie ustalone.
WyraŸne ró¿nice mo¿na zaobserwowaæ porównuj¹c parametry wytrzyma³oœciowe piaskowca zniszczonego i œwie¿ego. W stosunku do próbki œwie¿o pobranej w kamie-nio³omie, piaskowiec z ok³adziny wykazuje ponad dwu-krotnie ni¿sz¹ wytrzyma³oœæ na œciskanie w stanie powietrznosuchym, jak i nasyconym wod¹. Nasi¹kliwoœæ piaskowca przeobra¿onego jest nieco wiêksza ni¿ œwie¿e-go, co potwierdza obserwacje mikroskopowe o niewielkim wzroœcie porowatoœci.
Obserwacje powy¿sze sk³aniaj¹ do przypuszczeñ, ¿e oddzia³ywanie zanieczyszczonej atmosfery spowodowa³o
99,20% 99,40% 99,60% 99,80% 100,00% 100,20% 100,40% 100,60% 100,80% 0 2 4 6 8 10 12 14 dni days zmianymasypróbki variationsinthesamplemass Do³y Biskupie (1) Do³y Biskupie (2) Krynki Nietulisko
Ryc. 7. Zmiany masy próbek podczas testu krystalizacji siarcza-nów
Fig. 7. Variations in the sample mass during the sulphates test crystallisation
Parametry geomechaniczne Przed testem Po teœcie
Wytrzyma³oœæ na jednoosiowe œciskanie RcMPa
85,8 30,4
Modu³ Younga E MPa x 104 1,01 0,28
Wspó³czynnik Poissona < 0,35 0,34
Modu³ odkszta³cenia
objêtoœciowego K MPa x 104 0,34 0,09
Dynamiczny modu³ œcinania G
MPa x 104 0,51 0,14
Tab. 3. Parametrey wytrzyma³oœciowe próbki piaskowca z Do³ów Biskupich przed i po teœcie krystalizacji soli
Rodzaj porów Przed testem Po teœcie
Pory izometryczne % 6,0 0,8 Pory anizometryczne % 42,6 42,1 Pory szczelinowate % 51,4 57,1 Ultrapory % 0 0 Mikropory % 0,6 0,7 Mezopory % 16,9 20,4 Makropory % 82,5 78,9
Tab. 2. Wyniki iloœciowej analizy mikrostrukturalnej dla pia-skowca z Nietuliska przed i po teœcie krystalizacji siarczanów — rodzaje porów
tylko w niewielkim stopniu proces ³ugowania substancji skalnej, natomiast wyraŸnie zniszczy³o wiêŸbê ska³y. Efekt taki mo¿na uzyskaæ w wyniku d³ugotrwa³ego oddzia³ywa-nia soli np. siarczanów.
Sole i ich dzia³anie — dyskusja wyników Modelowanie krystalizacji soli w porach jest zadaniem nie³atwym, ze wzglêdu na du¿¹ iloœæ parametrów, których wielkoœæ trudna jest do oszacowania. Najlepszym przy-bli¿eniem modelu krystalizacji soli jest model
przedsta-wiony przez Everetta (1961) dla krystali-zuj¹cego lodu w materiale porowatym. Analogicznie do tego modelu wniosko-waæ mo¿na, ¿e kryszta³ soli formuj¹cy siê w wiêkszych porach ma wy¿szy potencja³ chemiczny ni¿ ten rosn¹cy w porach mniejszych. St¹d zape³nianie porów solami postêpuje od porów wiêk-szych do mniejwiêk-szych. Tendencja ta jest widoczna w obu symulacjach tj. zarówno krystalizacji siarczanów jak i azotanów. Oddzia³ywanie jednak obu rodzajów soli na piaskowiec jest odmienne.
Uprzywilejowanie krystalizacji soli w wiêkszych porach znajduje odzwier-ciedlenie w uzyskanych oznaczeniach porowatoœci dla obu symulacji, jakkol-wiek rozk³ad porów bêd¹cych wynikiem krystalizacji soli jest odmienny. Krystali-zuj¹cy w porach mirabilit ma najczêœciej postaæ s³upków tworz¹cych promieniste skupienia. Rozrost kryszta³ów powoduje nacisk na œcianki porów. Efektem tego nacisku jest nie tylko naruszenie wiêŸby ska³y (patrz wyniki badañ wytrzy-ma³oœci), lecz równie¿ zmiana warun-ków w polu krystalizacji, wynikiem której jest rozpuszczanie powsta³ej ju¿ soli. Wielkoœæ nacisku krystalizuj¹cej soli nie zosta³a jednoznacznie ustalona. Correns i Steinborn (1939) oszacowali j¹
na 20 N/mm2. Knacke i Erdberg (1975)
uwa¿aj¹, ¿e nie przekracza ona 2 N/mm2. Innym
naprê¿e-niem pojawiaj¹cym siê w skale jest ciœnienie zwi¹zane z procesem przejœcia fazowego bezwodnego siarczanu w uwodniony. Wydaje siê, ¿e naprê¿enie to odgrywa du¿o wiêksz¹ rolê w procesie rozpadu próbek ni¿ ciœnienie
kry-0 2 4 6 8 10 12 14 dni days 99,80% 100,00% 100,20% 100,40% 100,60% 100,80% 101,00% 101,20% 101,40% zm ia nym as yp ró bk i va ri at io nsi nt hes am pl em as s Do³y Biskupie (1) Do³y Biskupie (2) Krynki Nietulisko
Ryc. 9. Zmiany masy próbek podczas testu krystalizacji azota-nów
Fig. 9. Variations in the sample mass during the nitrates test cry-stallisation
Nr próbki Nasi¹kliwoœæwagowa (%) Nasi¹kliwoœæobjêt. (%) Rcs(MPa) Rcn(MPa)
Próbki z elewacji na budynu LOT-u
S-1 – – 13 – S-2 – – 11 – S-3 – – 12,5 – S-6 8,6 16,7 – 6,0 S-7 8,1 16,0 – 8,0 S-10 9,0 17,6 – 7,0
Próbki z kamienio³omu „Œmi³ów”
N-1 – – 21,5 – N-2 – – 19,0 – N-3 – – 22,5 – N-8 7,9 15,3 – 11,5 N-9 7,6 14,6 – 13,0 N-10 7,8 15,1 – 13,5
Rcs— wytrzyma³oœæ na jednoosiowe œciskanie w stanie
powietrz-nosuchym; Rcn— wytrzyma³oœæ na jednoosiowe œciskanie w stanie
nasycenia wod¹
Tab. 4. Parametry wytrzyma³oœciowe ska³ ok³adziny budynku LOT-u oraz niezwietrza³ego piaskowca
a – 1 b – 1
a – 2 b – 2
5µm
5µm 5µm
5µm
Ryc. 8. Postacie soli syntetycznych; a-1 — kryszta³y syntetycznego tenardytu na powierzchni piaskowca z Nietuliska, a-2 — kryszta³y syntetycznego tenardytu wewn¹trz piaskowca z Nietuliska, b-1— pow³oki syntetycznego nitronatrytu na powierzchni piaskowca z Do³ów Biskupich, b-2 — skupienia syntetycznego nitrona-trytu na powierzchni piaskowca z Krynek
Fig. 8. Habits of synthetic salts; a-1 — crystals of synthetic tenardite on the surface of the Nietulisko sandstone, a-2 — crystals of synthetic tenardite inside the Nietulisko sandstone, b-1 — coats of synthetic nitronatrite on the surface of the Do³y Biskupie sandstone, b-2 — accumlations of synthetic nitronatrite on the surface of the sandsto-ne from Krynki
stalizacji soli. Warunkiem stabilnoœci mirabilitu jest
obec-noœæ wysokiej wilgotnoœci powietrza (RFg=87%) nad
nasyconym roztworem, z którego postêpuje krystalizacja (Arnold, 1981). Jeœli warunki te nie zostaj¹ spe³nione mira-bilit zostaje przekszta³cony w tenardyt. Zmiana objêtoœci jaka zachodzi przy tej przebudowie strukturalnej soli
wynosi 167 cm3/mol i nastêpuje przy suszeniu próbki i
ponownym moczeniu próbki w roztworze. Przejœcie jednej postaci w drug¹ w wyniku dehydratacji jest bardzo szybkie i nie trwa zwykle d³u¿ej ni¿ 20 minut. Hydratacja jest zwi¹zana z gwa³townym wzrostem ciœnienia, krórego
war-toœæ osi¹gn¹æ mo¿e nawet 4,83x104 kPa dla temperatury
pokojowej (Winkler & Wilhelm, 1970). Ze wzrostem tem-peratury wartoœæ ta maleje. Efektem procesu krystalizacji soli uwodnionych i bezwodnych jest zmiana struktury ska³y, która staje siê bardziej zamkniêta i mniej przepusz-czalna. Naprê¿enia wywo³ane krystalizacj¹ soli i ich prze-jœciem fazowym powoduj¹ spadek iloœci makroporów i wzrost mezoporów, jak równie¿ porów szczelinowatych po eksperymencie. Struktura piaskowców sta³a siê bardziej anizotropowa po przeprowadzeniu eksperymentu. Zmiana struktury, os³abienie wi¹zania spoiwo–ziarno powoduje szybk¹ kompakcjê ska³y obci¹¿onej i jej spêkanie.
Krystalizacja bezwodnej soli azotanów nie powoduje naprê¿eñ w skale tak d³ugo, jak d³ugo nie zostaje wype³nio-na przestrzeñ miêdzyziarnowa. Piaskowiec z Nietuliska o znikomej iloœci spoiwa z systemem porów po³¹czonych jest dobrym tego przyk³adem. Krystalizuj¹cy swobodnie w
porach nitronatryt przejmuje rolê spoiwa. Krystalizacja postêpuje szybciej w porach wiêkszych. W chwili wype³nienia porów dalsza krystalizacja azotanów jest utrudniona. Krystalizuj¹ce sole wywieraj¹ nacisk na œcian-ki porów, co przy przekroczeniu pewnej okreœlonej warto-œci tzw. liniowego ciœnienia wzrostu (Becker & Day, 1916; Correns & Steinborn, 1939; Correns, 1949; Mosebach, 1950/51; Buil, 1983) powoduje rozpuszczanie soli. Proces ten mo¿e wywo³ywaæ wzrost lokalnego stê¿enia sk³adni-ków w roztworze, co mo¿e uruchamiaæ proces osmozy pomiêdzy s¹siednimi porami lub ponown¹ krystalizacjê soli przy przekroczeniu iloczynu rozpuszczalnoœci równie¿ w porach mniejszych. Wydaje siê, ¿e odnotowywane nie-wielkie ubytki masy w koñcowym etapie symulacji krysta-lizacji nitronatrytu mog¹ byæ spowodowane wzrostem ciœnienia roztworów w porach po zape³nieniu ich solami.
Wnioski
W wyniku przeprowadzonego eksperymentu mo¿na wysun¹æ nastêpuj¹ce wnioski:
1) Krystalizacja siarczanów:
niszczenie mechaniczne wywo³ane naprê¿eniami
wynikaj¹cymi z procesu krystalizacji soli jest dominuj¹cym mechanizmem rozpadu wiêŸby badanych piaskowców,
obecnoœæ soli nie wywo³uje wyraŸnych procesów
³ugowania ziaren kwarcu; przy wieloletnim oddzia³ywaniu soli daje siê jednak¿e zaobserwowaæ proces ³ugowania spoiwa,
struktura piaskowców ulega znacznej zmianie po
przeprowadzeniu eksperymentu, o czym œwiadczy wyra-Ÿne zró¿nicowanie wartoœci parametrów iloœciowych przestrzeni porowej (spadek iloœci makroporów, wzrost mezoporów, wzrost porów szczelinowatych po ekspery-mencie),
struktura piaskowców po teœcie krystalizacji staje
siê bardziej anizotropowa,
wzrost anizotropii ma wp³yw na wiêksz¹
podat-noœæ materia³u na zniszczenie w okreœlonych kierun-kach, a w kierunkach prostopad³ych do nich mo¿e nast¹piæ wzmocnienie parametrów wytrzyma³oœcio-wych ska³y,
naruszenie wi¹zania spoiwo–ziarno wp³ywa na
drastyczn¹ redukcjê wytrzyma³oœci piaskowca;
podda-ny obci¹¿eniu piaskowiec ulega szybkiemu
odkszta³ceniu objêtoœciowemu szczególnie dobrze widocznemu w pierwszej fazie procesu tj kompakcji.
2) Krystalizacja azotanów:
a 5µm b 5µm c
20µm
Ryc. 11a, b, c. Powierzchnia ziaren kwarcu z piaskowca z p³yt ok³adzinowych budynku LOT-u Fig. 11a, b, c. The surface of the quartz grains in the sandstone facing plate — the LOT building
odkszta³cenie (%) strain (%) -1,00 0,00 1,00 2,00 -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 0 3,00 5 10 20 25 30 35 15 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 odkszta³cenie (%) strain (%) odkszta³cenie obwodowe circumferential strain odkszta³cenie objêtoœciowe volumertic strain odkszta³cenie osiowe axial strain naprê¿enie[MPa] stress[MPa]
A
naprê¿enie[MPa] stress[MPa]B
Ryc. 10. Przyk³ady pe³nych charakterystyk natê¿enie–odkszta³cenie dla piaskowca z Do³ów Biskupich; A — w stanie powietrznosuchym przed testem, B — w stanie powietrznosuchym po teœcie krystalizacji Fig. 10. An example of the full stress-strain characteristic — sandsto-ne from Do³y Biskupie; A — aero-dry condition before crystallisation test, B — aero-dry condition after crystallisation test
krystalizacja powoduje redukcjê przestrzeni porowej,
nie powoduje wzrostu anizotropii struktury ska³y,
nie powoduje drastycznej redukcji parametrów
wytrzyma³oœciowych ska³y.
Podsumowanie
Omawiaj¹c oddzia³ywanie soli na wiêŸbê piaskowców, nale¿y zadaæ sobie pytanie o stosowalnoœæ uzyskanych wyników do prognoz rozpadu materia³ów skalnych stoso-wanych w pracach renowacyjnych na terenie Warszawy. Znaj¹c sam mechanizm rozpadu nie jesteœmy bowiem w stanie precyzyjnie okreœliæ szybkoœci rozpadu tylko i wy³¹cznie na podstawie samego testu. Szybkoœæ rozpadu uzale¿niona jest bowiem od wielu innych czynników poza
emisj¹ SOxlub NOxna obszarze aglomeracji.
Przeprowa-dzone w laboratorium doœwiadczenie nad rozpadem
pró-bek w atmosferze SO2 i ponowienie tej¿e próby poza
laboratorium przy bezpoœrednim oddzia³ywaniu atmosfery aglomeracji wskazuje, ¿e tempo rozpadu na œwie¿ym powietrzu jest wiêksze ni¿ w laboratorium (Henriksen, 1995). Reakcja rozpadu materia³u skalnego w atmosferze bêd¹cej mieszanin¹ zwi¹zków siarki i azotu jest szybsza ni¿ analogiczna w atmosferze samych zwi¹zków siarki lub samych zwi¹zków azotu. Reakcjê wspomaga wydatnie obecnoœæ ozonu, katalizuje obecnoœæ metali (Massey, 1999). Inhibitorem mog¹ byæ zwi¹zki organiczne. Obecnoœæ naskorupieñ zbudowanych ze zwi¹zków ¿elaza, siarczanów i zwi¹zków organicznych odnotowuj¹ Wilczyñska-Michalik i Michalik (1995) na powierzchni piaskowców szyd³owiec-kich wbudowanych w zabytki Krakowa. Mimo tego, ¿e test laboratoryjny nie odzwierciedla skomplikowanego systemu w jakim przebiegaj¹ reakcje na wolnym powietrzu, zasadne wydaje siê sprawdzanie odpornoœci stosowanych mate-ria³ów skalnych poprzez testy krystalizacji soli w ró¿nych systemach w celu okreœlenia mechanizmu rozpadu tych materia³ów oraz wybrania typów ska³ najmniej podatnych na rozpad w ska¿onej atmosferze. Testy takie powinny byæ przeprowadzane dla materia³ów stosowanych w postaci p³yt ok³adzinowych na fasadach budynków, jak i dla mate-ria³ów stosowanych do wyrobu p³yt chodnikowych. Szcze-gólnie w tym drugim przypadku krystalizacja soli mo¿e mieæ istotne znaczenie. Podsi¹kanie wód, wch³anianie opa-dów przez porowaty materia³, sypanie solami maj¹cymi u³atwiaæ utrzymanie nawierzchni w zimie stwarza realne mo¿liwoœci krystalizacji ró¿norodnych kombinacji soli, których dzia³anie bêdzie prowadziæ do szybkiego niszcze-nia wiêŸby materia³u. Przebieg tego procesu bêdzie przy-pominaæ rozpad symulowany powy¿szymi badaniami laboratoryjnymi.
Badania do tej pracy zosta³y sfinansowane przez grant Wydzia³u Geologii UW BW 1419/33.
Autorzy pragn¹ podziêkowaæ Recenzentowi za cenne uwagi terminologiczne i redakcyjne. Sk³adamy równie¿ podziêkowanie mgr R. Siudzie za udostêpnienie zdjêæ z £azienek, które s¹ umieszczone w pracy jako ryc. 2.
Literatura
ARNOLD A. 1981 — Salzmineralien in Mauerwerken. Schweizerische Mineralogische und Petrographische Mitteilungen, 61: 147–166. BECKER F.G. & DAY A.L. 1916 — Note on the ³inear force of gro-wing crystals. Jour. Geology, 24: 313–333.
BOCK E. & KRUMBEIN W.E. 1988 — Aktivitäten von Mikroorgani-smen und mögliche Folgen für Gestein von Baudenkmälern. Bau-tenschutz und Bausanierung, Sonderheft: Bausubstanzerhaltung in der Denkmalpflege: 34–41.
BUIL M. 1983 — Thermodynamic and experimental study on the cry-stallisation pressure of water soluble salts. Int. Koll. Werkstoffwiss. und Bausan. TAE, Esslingen: 373–381.
CORRENS C. & STEINBORN W. 1939 — Experimente zur Messung und Erklärungder sogenannten Kristallisationskraft. Zeitschrift für Kri-stallographie, 101: 117–133.
CORRENS C. 1949 — Growth and dissolution of crystals under linear pressure. Discussions of the Faraday’s Society, 5: 267–271.
DECZKOWSKI Z. 1997 — Jura dolna. Litostratygrafia i litofacje. Sedymentacja, paleogeografia i paleotektonika. Pr. Pañstw. Inst. Geol., 153: 208–217.
DREVER J.I. 1982 —The geochemistry of natural waters. Prentice–Hall. EVERETT D. H. 1961 — The thermodynamics of frost damage on porous solids. Transactions of the Faraday’s Society, 57: 1541–1551. GRABOWSKA-OLSZEWSKA B. 1983 — Osiadanie zapadowe lessów w œwietle badañ mikrostrukturalnych. Prz. Geol., 31: 162–165. GRABOWSKA-OLSZEWSKA B., OSIPOV V.I. & SOKOLOV V.N. 1984 — Atlas of the microstructure of clay soil. PWN.
HENRIKSEN J.F. 1995 — Reactions of gases on calcareous stones under dry conditions in field and laboratory studies. Water Air and Soil Pollution, 85: 2707–2712.
JARMONTOWICZ A., KRZYWOB£OCKA-LAURÓW R. & LEHMANN J. 1994 — Piaskowiec w zabytkowej architekturze i rze-Ÿbie. Towarzystwo Opieki nad Zabytkami, Warszawa.
KACZYÑSKI R. & TRZCIÑSKI J. 1997 — Iloœciowa analiza mikro-strukturalna w skaningowym mikroskopie elektronowym (SEM) typo-wych gruntów Polski. Prz. Geol., 45: 721–726.
KNACKE O. & ERDBERG R. 1975 —The crystallisationpressure of sodium sulfate decahydrate. Berichte der Bunsengesselschaft, 79: 653–657.
KUBERSKA M. 1997 — Trias dolny (pstry piaskowiec). Charaktery-styka petrograficzna. Pr. Pañstw. Inst. Geol., 153: 117–121
MALISZEWSKA A. & TEOFILAK A. 1967 — Petrografia liasu na Ni¿u Polskim. Biul. Inst. Geol., 207: 67–156.
MALISZEWSKA A. &TEOFILAK A. 1968 — Petrografia osadów lia-su w pó³nocnym obrze¿eniu Gór Œwiêtokrzyskich. Biul. Inst. Geol., 216: 107–192.
MALISZEWSKA A. 1997 — Jura dolna. Litostratygrafia i litofacje. Charakterystyka petrograficzna. Pr. Pañstw. Inst. Geol., 153: 206–208. MASSEY S.W. 1999 — The effects of ozone and NOx on the deterio-ration of calcareous stone. Sc. Total Environm., 227: 109–121. MOSEBACH R. 1950–1951 — Neue Ergebnisse zur Frage des Wach-stumsdruckes von Kristallenunter einseitigem Druck. Fortschritte der Mineralogie: 29/30: 25.
OSIPOV V.I., SOKOLOV V.N. & RUMYANCEVA N.A. 1989 — Mikrostruktura glinistych porod. Izd. Niedra, Moskwa.
SERGEEV Y.M., SPIVAK G.V., SASOV A.Y., OSIPOV V.I., SOKO-LOV V.N. & RAU E.I. 1984 — Quantitative morphological analysis in a SEM–mikrocomputer system — part I, II. Jour. Microscopy, 135: 1–24.
SZYPERKO–TELLER A. 1997—Trias dolny (pstry piaskowiec), sedy-mentacja, paleogeografia i paleotektonika. Pr. Pañstw. Inst. Geol., 153: 121–133.
TRZCIÑSKI J. 1998 — Iloœciowa analiza mikrostrukturalna w skanin-gowym mikroskopie elektronowym (SEM) gruntów poddanych oddzia³ywaniu wody. [W:] B. Grabowska-Olszewska (red.), Geologia stosowana. W³aœciwoœci gruntów nienasyconych. PWN: 113–150. WILCZYÑSKA-MICHALIK W. & MICHALIK M. 1995 — Deteriora-cja materia³ów skalnych w budowlach Krakowa. Prz. Geol., 43: 227–235.
WINKLER E. M. & WILHELM E.J. 1970 — Salt burst by hydration pressures in architektural stones in urban athmosphere. Geol. Soc. Amer. Bull., 81: 567–572.
WRÓBLEWSKI T. & WRÓBLEWSKA E. 1996 — Góry
Œwiêtokrzyskie; mapa geologiczno-krajoznawcza. Wyd. Kartograf. Pol. Agencji Ekologicznej, Warszawa.
