Homokkövek ridegségének változása magas hőmérséklet hatására

Átírás

1 Mérnökgeológia-Kőzemehanika 2015 (Szerk: Török Á., Görög P. & Vásárhelyi.) oldalak: Homokkövek ridegségének válozása magas hőmérsékle haására Changes in rigidiy of sandsones a elevaed emperaures Vásárhelyi alázs ME, Geoehnika és Mérnökgeológia Tanszék, vasarhelyib@gmail.om Török Ákos ME, Geoehnika és Mérnökgeológia Tanszék, orokakos@mail.bme.hu ÖSSZEFOGLALÁS: Épüleek helyreállíásánál, az épíési kőanyag felhasználhaóságánál egyik probléma a űzese kövekezében bekövekező válozások megismerése, modellezése. Korábbi kuaások próbálák kimuani, hogy egy ado kőze eseén hőiklus hogyan válozaja meg a kőze szilárdságá. Az ilyen jellegű mérési eredmények nem muaak egyérelmű endeniáka, álalános érvényű megállapíásoka nem lehee enni. Jelen ikkben homokkövek mérési adaai elemezve bemuajuk, hogy a kőze ridegségének válozása viszon jól modellezheő az ado hőmérséklei haással. ASTRACT: During he reonsruion or resoraion of hisori sruures i is very diffiul o dee and model he hanges aused by fire. Previous works foused on monioring he hanges in he srengh bu no rends wih mahemaial formulae were desribed. As a onsequene, no general saemens and laws were found. The presen paper provides informaion on he modelling of hanges in rigidiy of sandsone when he sone is subjeed o differen emperaures. Kulsszavak: ridegség, homokkő, hő, rinke szám keywords: rigidiy, sandsone, hea, rinke number 1. EVEZETÉS A kőzeek hő haására örénő mehanikai válozások vizsgálaával, elemzésével napjainkban egyre öbb kuaó foglalkozik annak akualiása mia (legjelenősebbek: ronóns e al., 2013; Smih & Pells, 2008; Tian e al, 2012; Tian e al, 2014; sb.) Magyarországon Hajpál (2002) vizsgála homokkövek hő haására örénő válozásai különös ekineel azok elszíneződésére, ásványi válozásaira (Hajpál és Török 2004, Török és Hajpál 2005, Hajpál, 2006; 2007; 2008). Hajpál (2002) mind ronsolásos, mind ronsolás-menes méréseke végze különböző hőhaásnak kie homokkövekkel. Alkalmazo hőiklusok: 22 ; 150 ; 300 ; 450 ; 600 ; 750 és 900. Mér kőzefizikai paraméerek mind száraz, mind vízzel elíe állapoban: - egyirányú nyomószilárdság ( ); - közvee húzószilárdság ( ); Minden ronsolásos vizsgála elő meghaároza a kőze sűrűségé valamin ulrahang erjedési sebessége is mér. A nemzeközi eredményekkel összhangban Hajpál (2002) Hajpál és Török (2004), Török és Hajpál (2005) eredményei nem muaak egyérelműen meghaározhaó szilárdsági válozás a hőiklus haására. Eredményeke újra feldolgozva megállapíouk, hogy a ridegség méréke 573 C fele (azaz amikor az kvar kvará módosul) maemaikailag is jól leírhaó válozás figyelheő meg a ridegség válozásában: a hőmérsékle növekedésével az anyag ridegsége megnő. Jelen ikk elején összefoglaljuk a fonosabb elméleeke, mellyel a ridegség meghaározhaó. Mivel nem áll rendelkezésünkre az eredei feszülség-alakválozási görbék, így számíásainka a nyomó és húzószilárdsági érékek felhasználásával végezük el.

2 Vásárhelyi Török 2. RIDEGSÉG MEGHATÁROZÁSÁNAK LEHETŐSÉGE A ridegség meghaározására számos vizsgála és javasla készül a szakirodalom alapján a jelenősebbeke az alábbiakban foglaljuk össze Andreev (1995) alapján. A 1. ábra a ridegség meghaározásához felhasznál ényezők jelenésé muajuk be. Ezen érékek meghaározására az alábbi felsorol módszerek alkalmazhaók. 1. ábra. Ridegség meghaározásánál használ ényezők (Parameers onrolling rigidiy of sones) 1. Az ép kőzeen mér feszülség-alakválozási görbéből meghaározhaó annak ridegsége is. A örés pillanaában mér longiudinális (engelyirányú) elmozdulás éréke alapján ( li ) éréké figyelembe véve az alábbi oszályoka adja meg 1 = li 100 (%) (1) Az alábbi oszályozási módo adja meg: li < 3 %: rideg 3 % < li < 5 %: rideg-képlékeny 5 % < li : képlékeny 2. Ridegségi ényezőnek nevezheő a rugalmas és a eljes alakválozás közöi hányados érének meghaározása a örésig: 2 1e 1 1 e 1i 1e DF OF 3. A rugalmas (W e ) ésa eljes munka (W ) hányadosakén érelmezve, a örési állapoig vizsgálva a feszülség-alakválozási ábrá: W DCF e 3 (3) W OACF 4. A plaszikus ulajdonság vizsgálaa az irreverzibilis munka (W i ) és a rugalmas munka (W e ) ismereében: Wi OACD 4 (4) W DCF e (2) 182

3 Homokkövek mehanikai válozása hő haására 5. A haárszilárdság ( ) és a rezuduális szilárdság ( r ) ismereében, az ado környezei nyomás ( 3 ) figyelembe véve 3 r 3 5 (5) 3 ill. ha a környezi nyomás 0: r 6 (6) 6. A repedés erjedésének kezdei feszülsége ( i ) arányosíva a örőfeszülséghez: i 7 (7) 7. A maradó (rezidulális) alakválozás és a örés uáni alakválozás ismereében: 1r 8 (8) 1 r 1 8. A posz-kriikus szakasz modulusa (M) és a rugalmassági modulus (E) hányadosakén: M OACD 9 (9) E FCN Amennyiben > 1, rideg kőzeről beszélheünk. 9. Valamin ezen érékekből képezve: M DCF 10 (10) E M OACF FCN Rideg kőzeről akkor beszélheünk, ha ez az érék 0,5-nél nagyobb. Jelen ikkben az egyirányú nyomószilárdság ( ) és húzószilárdság ( ) érékeken alapuló ényezőke elemezzük sak. Megjegyezzük, hogy ponos haár nem megadhaó ezek alapján, hogy a kőze mennyire rideg, de kijelenheő, hogy az érék növekedése a ridegség növekedésé is muaja. 10. Úgyneveze rinke szám meghaározásával, azaz: R 11 (11) Ez az érék 5 és 50 közö válozha, álag éréke 10 körül van az összes mérés saiszikai elemzése uán. Hibahaáron belül éréke megegyezik a Hoek-rown ép kőzenél felveheő anyagállandójával (m i ). 11. A húzó és nyomószilárdságokból különbségeiből a kövekező összefüggés is meghaározhaó: 12 (12) 3. VIZSGÁLT KŐZETEK Hajpál (2002), Hajpál és Török (2004) elérő korú, ásványi összeéelű, emenáiójú és különböző bányákból származó homokkövek hő haására való válozásai vizsgála. A homokkövek néhány főbb jellemzője összefoglalva: - Maulbronner finomszemű, agyagos köőanyagú, riász - Pfinzaler finomszemű, agyagos köőanyagú, riász - Posaer finom- és durvaszemű, kovás agyagos köőanyagú, kréa - Rohrshaher finomszemű, meszes köőanyagú - Coaer finomszemű, agyagos köőanyagú, kréa - Donzdorfer finomszemű, goehies köőanyagú, jura - Plienzhauser durvaszemű, dolomios köőanyagú, riász 183

4 Vásárhelyi Török A feni homokkövek még részleesebb ásványani elemzésé, legfonosabb szövei jellemzői, poroziásá és egyéb fizikai ulajdonságai Hajpál (2002), Hajpál és Török (2004), Török és Hajpál (2005) ismeree bővebben. 4. EREDMÉNYEK Min a bevezeésben emlíeük, egyérelmű válozás a hőmérséklei haásra nem vol kimuahaó. Ez 4 különböző Maulbronn-i homokkő mérési eredményén muajuk be a öbbi homokkő eseén is hasonló eredményre juounk. 2. ábra. Egyirányú nyomószilárdság válozása égeési hőmérsékle haására maulbronni homokkövek eseén (Changes in uniaxial ompressive srengh wih inreasing emperaure, Maulbronner sandsone) 4.1 rinke szám válozása égeési hőmérsékle haására A rinke számo a (11) képleel meghaározva jól meghaározhaó kapsola adhaó meg az égeési hőmérsékle növekedésével. Legkisebb nézeek módszeré alkalmazva exponeniálisan növekszik a rinke szám (azaz m i Hoek-rown anyagállandó): ( b * T ) R (13) ae ahol: R: rinke szám (lsd. 11. egyenle) a és b: kőzere jellemző állandók T: hőmérsékle ( C) A 3. ábra az egyik mérési adasor (plienzhauser-i homokkő) feldolgozásá muaja: az égeési hőmérsékle függvényében ábrázoluk a rinke szám válozásá. Megjegyezzük, hogy 573 C-nál örénő kvar-ámene uán draszikusan megnő a rinke szám, de az eredmények válozása az muaja, hogy már ezen haárérék ala is válozik a kőze ridegsége (1. Tábláza). 1. ábláza. A különböző kőzeekre jellemző állandók (13) egyenle (haraerisi a, b and R 2 values of he equaion 13) Kőze ípusa a b R 2 Maulbronner 1 9,5806 0,0007 0,733 Maulbronner 2 10,687 0,0007 0,807 Maulbronner 3 10,321 0,0011 0,826 Pfinzaler 1 13,753 0,001 0,744 Pfinzaler 2 13,184 0,0009 0,818 Posaer 14,478 0,0004 0,648 Rohrshaher 1 12,473 0,0011 0,745 Rohrshaher 2 16,681 0,0008 0,649 Coaer 7,310 0,0014 0,820 Donzdorfer 12,622 0,0014 0,785 Plienzhauser 6,846 0,0012 0,

5 Homokkövek mehanikai válozása hő haására 3. ábra. A rinke szám válozása égeési hőmérsékle haására Plienzhauser homokkőknél (Changes in rinke number wih inreasing emperaure, Plienzhauser sandsone) 3.2 Ridegség válozása égeési hőmérsékle növelésével A nyomó- és húzószilárdság ismereében meghaározhaó ridegségi muaó a (12) képle alapján. A legjobb közelíés alapján lineáris kapsola áll fen a ké ényező közö: az égeési hőmérsékle növekedésével a kőze ridegsége lineárisan növekszik (erre muaunk példá a 4. ábrán): = *T + d (14) ahol: : ridegség éréke (lsd. 12. egyenle) és d: kőzere jellemző állandók T: hőmérsékle ( C) A vizsgál homokkövek eseén (14) egyenleel kapo állandóka a 2. áblázaban összesíeük. 4. ábra. A ridegség válozása égeési hőmérsékle haására a Coaer homokkőknél(changes in rigidiy wih inreasing emperaure, Coaer sandsone) 2. ábláza: A különböző kőzeekre jellemző állandók (14) egyenle (haraerisi, d and R 2 values of he equaion 14) Homokkő ípusa (x10-5 ) d R 2 Maulbronner 1 8 0,816 0,733 Maulbronner 2 8 0,834 0,796 Maulbronner ,835 0,866 Pfinzaler 1 9 0,865 0,729 Pfinzaler 2 8 0,865 0,831 Posaer 4 0,872 0,620 Rohrshaher 1 9 0,860 0,577 Rohrshaher ,876 0,707 Coaer 20 0,772 0,808 Donzdorfer 10 0,861 0,808 Plienzhauser 20 0,756 0,

6 Vásárhelyi Török 4. ÉRTÉKELÉS A kísérlei eredmények feldolgozásával igazoluk, hogy a homokkövek hő haására egyre ridegebbé válnak. A ridegsége jellemezhejük a rinke számmal is, amely a hő haás ér, s álalunk kiérékel mérési eredmények alapján a vizsgál homokköveknél 5 és 20 közö válozo, uóbbi érékek inkább a magasabb hőmérséklei arományban 800 C felei mináknál apaszalhaók. A kapo eredmények segíhenek abban, hogy alagúűz eseén a kőzekörnyeze kőzemehanikai viszonyainak válozásá megbesülhessük. A hő haárára megválozo (megnövő) Hoek-rown állandó ismereében leheőség ponosabb modellezésre, ezálal az újjáépíésnél opimálisabb ervezésre. Felhasználhaó ovábbá ezen eredmény radioakív hulladékároló hosszú ávú mehanikai modellezésénél is. KÖSZÖNET Ezzel a ikkel is emléke kívánunk állíani Dr. Hajpál Mónikának, aki sajnos már nins közöünk. FELAHSZNÁLT IRODALOM roóns V.; Tomás R.; Ivorra S.; Alarón J.C Temperaure influene on he physial and mehanial properies of a porous rok: San Julian's alarenie. Eng. Geol. 167: Hajpál M. 2002a. Égeés haására fellépő válozások vizsgálaa homokköveknél. PhD érekezés, udapesi Műszaki és Gazdaságudományi Egyeem, Épíészmérnöki Kar, Hajpál M. 2006: Magyar műemléki kőanyagok hőhaására fellépő válozásainak kőzefizikai vizsgálaa. In: Török Á., Vásárhelyi. (szerk.) Mérnökgeológia-Kőzemehanika 2006, Műegyeemi Kiadó, udapes, Hajpál M. 2007: Magas hőmérsékle műemléki épíőkövek anyagulajdonságaira gyakorol haásának vizsgálaa In: Török Á., Vásárhelyi. (szerk.) Mérnökgeológia-Kőzemehanika 2007, Műegyeemi Kiadó, udapes, Hajpál M. 2008: Hevíés indukála színválozás ermészees kőanyagoknál, épíőköveknél. In: Török Á., Vásárhelyi. (szerk.) Mérnökgeológia-Kőzemehanika 2008, Műegyeemi Kiadó, udapes, Hajpál M. Török Á Physial and mineralogial hanges in sandsones due o fire and hea. Environmenal Geology, 46, 3, Smih A.G., Pells P.J.N Impa of fire on unnels in Hawkesbury sandsone. Tunnelling and Underground Spae Tehn. 23: Tian H.; Kempka T.; Xu N-X.; Ziegler M Physial Properies of Sandsones Afer High Temperaure Treamen. Rok Meh. Rok Eng. 45: Tian H.; Ziegler M.; Kempka T Physial and mehanial behavior of laysone exposed o emperaures up o 1000 C. In. J. Rok Meh Min. Si. 70: Török Á., Hajpál M Effe of Temperaure Changes on he Mineralogy and Physial properies of Sandsones. A Laboraory Sudy. Inernaional Journal for Resoraion of uildings and Monumens, 11, 4, Freiburg,