Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2015 (Szerk: Török Á., Görög P. & Vásárhelyi B.) oldalak: 265 270 Agyagkövek nedvességtartalom és anizotrópia érzékenysége Sensitivity of claystones to water content and anisotrophy Buocz Ildikó BME, Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszék, ildikobuocz@gmail.com Rozgonyi-Boissinot Nikoletta BME, Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszék, rozgonyi.nikoletta@epito.bme.hu Török Ákos BME, Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszék, torokakos@mail.bme.hu ÖSSZEFOGLALÁS: Az agyagkövek szerepe az elmúlt 50 évben jelentősen megnövekedett az építőiparban, a nagy aktivitású radioaktív hulladékok tárolásának kapcsolatán. Több nemzet is, köztük Magyarország, Svájc, Franciaország, agyagos kőzetbe tervezik építeni a lerakót. Amennyire előnyös tulajdonságokkal rendelkezik a kőzet a természetben, ilyen például a magas vízzáró képessége, a nagy ioncserélő és szorpciós kapacitása, annyira nehéz laboratóriumi környezetben kezelni és vizsgálni. A mintavételtől kezdve a tároláson és a próbatestek kialakításán át egészen a laboratóriumi kísérletek elvégzéséig folyamatos nehézségekkel kell számolni, úgy mint a kőzet gyors nedvességtartalom vesztéséből adódó problémák, valamint az anizotrópiájából eredő nehézségek. A cikk összefoglalja és felhívja a figyelmet a különböző fázisokban előforduló problémákra, valamint javaslatot ad a kezelésükre. Kulcsszavak: agyagkő, nedvességtartalom, anizotrópia, radioaktív hulladék tárolás ABSTRACT: In the building industry the role of claystones became significantly more important in the past 50 years, as they are planned to be used as potential host rocks for highly radioactive waste disposal facilities. Several nations, such as Hungary, Switzerland and France, are planning to build their repositories in such a rock type. Claystones on the one hand own very adventageous properties in nature, e.g. high water resistancy, good ion exchange and sorption capacity, but on the other hand they cause difficulties in handling and analysing them under laboratory conditions. Throughout the procedures of sampling, storing, specimen preparation and laboratory testing; the problems of the loss of water content and anisotrophy make operations particularly complicated. This paper addresses the issues and difficulties arising in these procedures, and gives suggestions for their treatment and handling. keywords: claystone, water content, anisotrophy, radioactive waste disposal 1 BEVEZETÉS 1.1 Radioaktív hulladéklerakás A világon a legtöbb radioaktív hulladékot az atomerőművek és az orvostudomány által végzett munka termeli, ez utóbbi elenyésző mennyiségben az előbbihez képest. Nem csak a kiégett fűtőelemekből, de a reaktorok lebontásából is világszerte egyre nagyobb mennyiségű nagy aktivitású radioaktív hulladék keletkezik. Ezeknek kezelése és elhelyezése a legtöbb esetben ideiglenes és többnyire felszíni tárolókban történik. Globális problémává duzzadt a radioaktív hulladékok végleges tárolásának kérdése. Nemzetközi megállapodás eredményeképpen a nagy aktivitású radioaktív hulladékot felszín alatti, mély geológiai formációkban kell elhelyezni (Chapman & Hooper, 2012). Ebből kifolyólag az elmúlt évszázadban nagyszabású kutatások indultak a megfelelő befogadó kőzetek kiválasztása és a tárolás kritériumainak teljesítése érdekében, melynek hatására célirányosan számos laboratórium épült világszerte. A cél a biztonságos tárolás, amely olyan természetes biztonsági rendszert foglal magába, ami hosszú távon meggátolja a radioaktivitás környezetbe kerülését. Nagy aktivitású radioaktív hulladéklerakásnál az agyagkő bizonyult az egyik legmegfelelőbb befogadó kőzet típusnak (Bossart & Thury, 2007), a gránitos kőzetek (Mariner et al., 2011), az iszapkő és a kősó mellett (Langer, 1999).
Buocz Rozgonyi-Boissinot Török 1.2 Az agyagkő szerepe a radioaktív hulladék tárolásában Számos előnyös tulajdonsága miatt a világon több országban is agyagkőbe tervezik a nagy aktivitású radioaktív hulladék végleges tárolóhelyét. Az agyagkő nagy mennyiségben agyagásványokat tartalmaz, amikről közismert, hogy nedvesség hatására duzzadnak, így biztosítani tudják a vizzáróságot. Egy radioaktív hulladék tároló esetében a vízzáróság az egyik legfontosabb követelmény, hiszen a víz tudja leggyorsabban a felszínre és a környezetbe juttatni a radioaktív szennyeződést. Az agyagkőről ismert az öngyógyító hatása is, azaz ha elő is fordulnak benne repedések, nedvesség hatására ezek záródnak és a vízzáróságot ugyanúgy biztosítani tudják. A radioaktív hulladék több lépcsős védelmi rendszerében a befogadó kőzet az utolső védelmi gát, amelynek feladata végérvényesen elnyelni a szennyeződést. A magas ioncserélő és szorpciós kapacitása is az agyagkő mellett szól, mint tökéletes befogadó kőzet. 2 NEDVESSÉGTARTALOM ÉS ANIZOTRÓPIA 2.1 Nedvességtartalom Az agyagkő természetes nedvességtartalmát beavatkozás hatására rohamosan elkezdi veszíteni, repedések keletkeznek rajta, módosulnak a mechanikai tulajdonságai. Ez a beavatkozás lehet például az anyag kifejtésének, fúrólyuk kialakításának eredménye. A kőzet ennek ellenére alkalmas a radioaktív hulladék tárolására, hiszen, amikorra a radioaktivitás kiszabadul és átszivárog az összes védelmi rendszeren, addigra már megfelelő idő eltelt ahhoz, hogy a tároló kialakítása során megzavart kőzet öngyógyító képességének hatására visszanyerje eredeti nedvességtartalmát és a kialakult repedéseket begyógyítsa. 2.2 Anizotrópia Az agyagkő üledékes kőzet és a legtöbb ilyen kőzet egyrészt rétegzettséget mutat, másrészt, ha nagyobb nyomásviszonyok közé és eltérő feszültségtérbe került jellemző palásságot is mutathat, annak ellenére, hogy nem tekinthető metamorf kőzetnek. A földtörténetben lezajlott folyamatok módosíthatják a különböző rétegek ásványi összetételét, így az agyagkő még ha globálisan, modell készítésénél, homogénnek is tekinthető, lokálisan nem az (Konrád et al., 2013). A rétegzettségének köszönhetően különböző irányokban eltérőek a mechanikai tulajdonságai is, ezért az anizotrópiát nem lehet figyelmen kívül hagyni. 3 NEDVESSÉGTARTALOM-VESZTÉSBŐL ÉS ANIZOTRÓPIÁBÓL SZÁRMAZÓ NEHÉZSÉGEK LABOATÓRIUMI KÖRÜLMÉNYEK KÖZÖTT Agyagos kőzetek vizsgálatánál e kettő tulajdonság okozza a legtöbb nehézséget a laboratóriumi kísérletek kivitelezése során. 3.1 Mintavételezés A helyszíni mintavételezésnél két lehetőség van. Az egyik, hogy a próbatesteket a laboratóriumban kőzet blokkokból, vagy fúrómagokból állítják elő. Amennyiben kőzet blokkokból, úgy vagy a fejtési homlokból, a fellazult, zavart zónából lehet könnyedén, kalapács segítségével kőzetmintát vételezni, vagy pedig a fejtő gép munkája során a leomlott kőzetblokkokból lehet választani. Agyagkövek esetén a fejtési homlokból lehetséges leginkább a mintavétel, ugyanis a kifejtett falszakaszt általában állékonysági problémák miatt lőttbetonnal és acélhálóval azonnal meg kell támasztani. A másik lehetőség, amikor fúrómagból nyerhető a minta. Ebben az esetben mindenféle képpen figyelembe kell venni az anizotrópiát. Amennyiben rétegződésre merőleges a fúrás, ügyelni kell az alacsony fordulatszámra és még így sem biztosított, hogy a kőzet a rétegződések határán a csavarás hatására nem válik szét. Könnyen előfordulhat, hogy a fúrómagból lehetetlen laboratóriumi kísérletekhez próbatestet kialakítani, annyira szétaprózódik a kőzet. Az alacsony fordulatszám a lehető legkisebb nedvességtartalom-vesztés érdekében is fontos. Így ezt nem csak a rétegződésre merőlegesen, de azzal párhuzamosan, vagy vele szöget bezárva is célszerű alkalmazni. Magas fordulatszámnál a kőzet felforrósodik és a mechanikai jellemzői is megváltoznak. Nem csak a nedvességtartalmából veszít, hanem a fúrómag palástján a hő kiégetheti az agyagot és egy kérget képezhet annak felületén. 266
Agyagkövek érzékenysége A nedvességtartalom-vesztés minimalizálása érdekében a kinyert blokkokat vagy fúrómagokat azonnal szakszerűen tárolni kell és megakadályozni, hogy a levegővel kontaktusba kerüljenek. 3.2 Tárolás A mintavételezés és a próbatestek kialakítása között általában napok, hetek, hónapok vagy akár évek is eltelhetnek. Mivel a mintákat a fejtés pillanatában lehet a legfrissebben kinyerni és a leghatékonyabban konzerválni, de a kísérletek és vizsgálatok elkezdése között hosszabb idő is eltelhet, a nedvességtartalom megőrzése érdekében, hatékony és jól működő konzerválási módszereket kell alkalmazni. Ezeknek a szakszerű kivitelezése biztosítja a minták frissen tartását. Egyik ilyen módszer a kőzetek alumínium fóliába zárása. Ebben az esetben, az előzetesen műanyag fóliába csomagolt kőzetet, egy három oldalról, magas hőmérsékleten összeforrasztott alumínium fóliazsákba rakják, amelyből - a minta környezetéből- a negyedik oldal irányából vákummal kiszívják a levegőt, majd a negyedik oldalt is leforrasztják. Így a próbatest légmentesen van lezárva és nem veszít a nedvességtartalmából sem (1. ábra). 1. ábra Minta tárolása alumínium fóliában Mont Terri (Conservation of sample in aluminium foil Mont Terri) Másik módszer az epoxiban tárolás. Ebben az esetben a kőzetmintát műanyag fóliába tekerik, hogy az ne érintkezzen közvetlenül a műgyantával, majd egy pvc zsaluzatba oly módon szorítják be, hogy a két komponensből kikevert műgyanta minden irányból körbe tudja fogni. Ezeket a mintákat a felhasználás előtt az epoxiból ki kell vágni. Nagy körültekintést és tapasztalatot igényel a folyamat, hogy a minta ne sérüljön. 267
Buocz Rozgonyi-Boissinot Török 2. ábra Minta tárolása epoxiban Mont Terri (Conservation of sample in epoxy Mont Terri) Célszerű a konzervált kőzetmintákat a felhasználás idejéig 100%-os páratartalmat tartó klímaszobában tárolni. 3.3 Próbatestek kialakítása, példák Mont Terriből Agyagkövek esetében a próbatestek kialakítása a legnehezebb feladat. A mechanikai tulajdonságok meghatározásához általában hengeres próbatesteket írnak elő a szabványok. Amennyiben a blokkokból fúrással készülnek a próbatestek, kizárólag sűrített levegős hűtés alkalmazható, ugyanis vizes hűtés esetén az agyagkövek túltelítődés után szétmállanak. Az alacsony fordulatszám itt is érvényes, hiszen a hő hatására nemcsak átrendeződik a kőzet struktúrája, de a nedvességtartalom vesztés is felgyorsul. Ugyanúgy az anizotrópia miatt magas fordulatszámú fúrás esetén a rétegződés mentén a csavarás hatására elválnak egymástól a rétegek és a próbatest használhatatlanná válik. Amennyiben fúrómagokból készülnek a próbatestek és kővágó géppel kerül kialakításra a hosszuk, a vágásnál is léghűtés javasolt alacsony fordulatszám mellett. Kézi fűrésszel is lehet dolgozni, de vigyázni kell, mert nagyobb átmérőjű fúrómagok esetében a kőzetben felhalmozódott feszültségek leépülésének hatására a fűrész blokkolódhat és fenn áll a veszély, hogy a fűrész kiszabadításának folyamata közben a próbatest tönkremegy. A nedvességtartalom megőrzése érdekében a próbatest kialakításának elvégzése 100%-os páratartalmú klímakamrában javasolt. A kész próbatestet célszerű minden irányból olyan vízhatlan festékkel bevonni, ami nem szívódik a kőzetbe, de megvédi a további nedvességtartalom vesztéstől. Az alábbi ábrákon (3. ábra, 4. ábra, 5. ábra) a Mont Terri felszín alatti laboratóriumból vételezett Opalinus Agyagkő mintákból kialakított különböző méretű és alakú próbatestek képei láthatók. Ez a kőzet Svájc potenciális nagy aktivitású radioaktív hulladéklerakójának a befogadó kőzete, a laboratórium nemzetközi szinten közel 20 év kutatási múltra tekint vissza. A minták az Opalinus Agyagkő shaly facies agyagos fácies típusából készültek, melyek a Jura korban keletkeztek kb. 180 millió évvel ezelőtt. A kőzet homogén, szemmel alig látható laminált rétegeltségű. Homok tartalma nagyon alacsony. A kevés és kis méretű kőzetanyagból egyirányú nyomószilárdsági, Brazil és tagolófelület menti nyírószilárdsági vizsgálatokhoz készültek próbatestek. A 3. ábrán a legutóbbihoz látható 50x50 mm flületű négyzet alapú próbatest. Ebben az esetben kőzetvágó fűrész segítségével lettek méretre alakítva a minták. A bal oldali ábrán a próbatest még a sablonba befogás előtt áll, a jobb oldali ábrán már készen áll a vizsgálatra. 268
Agyagkövek érzékenysége 3. ábra Tagolófelület menti nyírószilárdsági teszthez kialakított négyzet alapú próbatest Mont Terri, Opalinus Agyagkő (Square based specimen prepared for direct shear strengh test along discontinuities Mont Terri, Opalinus Claystone) A 4. ábrán a közvetetett húzószilárdsági méréshez előkészített hengeres, 50 mm átmérőjű 1:1 arányú próbatestek láthatók, melyeken a lamináltság is megfigyelhető. A próbatestek magfúróval lettek kifúrva kőzetblokkokból, 700 fordulat/min sebességgel. A fúrás a rétegekkel minden esetben párhuzamos volt. 4. ábra Közvetett húzószilárdsági vizsgálathoz alkalmazott hengeres próbatest kialakítása és a minta Mont Terri, Opalinus Agyagkő (Cilyndric specimen preparation for Brazil test and the sample Mont Terri, Opalinus Claystone) Hengeres próbatestek fúrással mind a kialakításuk nehézsége, mind pedig a korlátozott mennyiségű kőanyag miatt csak kis mennyiségben készültek. Az egyirányú nyomószilárdsági vizsgálatokhoz 30x30 mm négyszög alapú, 60 mm magasságú téglatest próbatestek készültek, gépi kővágógép segítségével. 5. ábra Egyirányú nyomószilárdsági vizsgálathoz szükséges téglatest alakú próbatest kialakítása és minta Mont Terri, Opalinus Agyagkő (Prism shaped specimen preparation for uniaxial compression test and the sample Mont Terri, Opalinus Claystone) 3.4 Mechanikai vizsgálatok A vizsgálatokat, különösképpen, ha időigényes tesztekről van szó, mint például a kúszás vizsgálat, a próbatestek nedvességtartalmának megőrzése érdekében erre a célra fejlesztett, páratartalmat szabályozni és tartani képes műszerekkel és gépekkel kell megoldani. Ellenkező esetben a minták mechanikai tulajdonságai vizsgálat közben megváltoznak és a mérési eredmények nem tükrözik a valóságot. Az agyagkövekre jellemző, hogy nedvességtartalom-vesztés hatására a szilárdsági értékeik növekednek (Dewoolkar & Huzjak, 2005; Pellet et al., 2013). Pellet et al. (2013) márgákon végzett első sorban tagoló felület menti nyírószilárdsági teszteket. A vizsgált kőzet 50%-ban tartalmazott agyagásványokat, 30%-ban karbonátokat és 20%-ban kvarcot. A kőzet mértékadó viselkedése az agyagásványok tulajdonságából adódott. A nyírószilárdsági mérések eredményeiből a Mohr-Coulomb megközelítést jól tudták alkalmazni mind a száraz, mind a vízzel telített minták esetében, 10 MPa normálfeszültségig. A belső súrlódási szög ez előbbi esetben 22, az utóbbiban 12 volt. A kohézióban 269
Buocz Rozgonyi-Boissinot Török csak mérsékelt csökkenést figyeltek meg, 0,41 MPa-ról 0,32 MPa-ra esett az érték. A nyírószilárdság 50%-ban csökkent. Érintetlen (intakt) kőzeten is készítettek nyomószilárdsági méréseket: a száraz próbatesteknél növekvő normálmerevséget mértek, vízzel telített próbatesteknél csökkenőt. Hozzá kell tenni, hogy a vízzel telített mintáknál nem tudtak elmenni a száraz mindáknál alkalmazott 16 MPa normálfeszültségig, ugyanis a kőzet előbb ment volna tönkre a nyomás hatására. A nedvességtartalom csökkenés eredményeképpen a rétegződés mentén alakulnak ki a legkönynyebben száradási repedések, aminek következménye, hogy a rétegek elválnak egymástól, vagyis a kőzet a rétegződésekkel párhuzamosan szilárdságát elveszíti, tönkremegy. 4 ÖSSZEFOGLALÁS Az agyagkövekre, mint a nagy aktivitású radioaktív hulladékok potenciális befogadó kőzeteire irányuló kutatások az elmúlt 50 évben előtérbe kerültek. Mechanikai tulajdonságaik pontos ismerete elengedhetetlen a biztonságos lerakók kialakítása érdekében. Amennyire előnyös tulajdonságokkal rendelkeznek a természetben (vízzáróság, öngyógyító hatás), annyira problémás anyag a gyors nedvességtartalom-vesztésük és anizotrópiájuk miatt. A nedvességtartalom-vesztés a kőzet kiszáradásához vezet, ami jelentősen befolyásolja a mechanikai-szilárdsági tulajdonságait. Nedvességtartalom-vesztéssel számolni kell a mintavételezésnél, a tárolásnál, a próbatestek kialakításánál valamint a mechanikai vizsgálatok elvégzésénél. Tudatosan törekedni kell ennek a meggátolására (klímaszoba alkalmazása, légmentes tárolás, védő festék...stb.), különben a vizsgálatok hamis eredményeket hoznak. Az anizotrópia a természetes rétegződésnek köszönhető. A rétegek határán gyengébb síkok alakulnak ki, ami elsősorban a mintavételezésnél és a próbatest kialakításnál okoz kellemetlenségeket. Kiszáradás hatására a száradási repedések is elsősorban a rétegződéssel párhuzamosan alakulnak ki, majd végül az anyag tönkremeneteléhez vezetnek. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A Mont Terriből származó mintákért a szerzők köszönettel tartoznak a Nagrának és a Swisstoponak, amiért engedélyezték és segítették a mintavételezést, továbbá az École Polytechnique Fédérale de Lausanne Kőzetmechanikai Laboratóriumában dolgozóknak a próbatestek kialakításában nyújtott segítségért, valamint a SCIEX - 11.062 sz. Projektért - SHEROWA Shear strength test of host rocks of radioactive waste disposal site folyósított anyagi támogatásért. A szerzők továbbá köszönetet mondanak a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék dolgozóinak segítségéért. HIVATKOZÁSOK Bossart, P, Thury M. 2007 Research in the Mont Terri Rock laboratory: Quo vadis? Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C 32, 1 7, pp. 19 3 Chapman N., Hooper A. 2012. The disposal of radioactive wastes underground. Proceedings of the Geologists Association, 123, 46-63. Dewoolkar M. M., Huzjak R. J. 2005 Drained residual shear strength of some claystones from Front Range Colorado, J. Geotechnical and Geoenvirinmental Engineering, 131(12): 1543 1551. Konrád Gy., Hámos G., Máthé Z., Kovács L. 2013 BodaClaystoneFormation (BCF) the potential host rock of high-level radioactive waste repository in Hungary, Workshop on Radioactive Waste Disposal (RWD), Stockholm. Langer, M. 1999 Principles of geomechanical safety assessment for radioactive waste disposal in salt structures, Engineering Geology, 52: 257-269. Mariner P.E, Lee J.L., Hardin E.L., Hansen F., Freeze G.A., Lord A.S., Goldstein B., Price R.H. 2011 Granite Disposal of U.S. High-Level Radioactive Waste. Sandia Report, SAND2011-6203. Sandia National Laboratories, Albuquerque, pp. 1-114. Pellet F. L., Keshavarz M., Boulon M. 2013, Influence of humidity conditions on shear strength of clay rock discontinuities, Engineering Geology, 157: 33 38. 270