Tixotróp viselkedés vizsgálata a geotechnikában - a bentonit Nagy Gábor 1, Huszák Tamás 1, Kopecskó Katalin 2, Nagy László 1 1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Geotechnikai Tanszék 2 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék Előszó A geotechnikában ismert tény, hogy a bentonit-zagy tixotróp tulajdonággal bír. Ez az a tulajdonság, melyet - többek között - a résfalas alapozás során kihasználnak. Maga a tixotrópia azonban összetett jelenség, így a tényként kezelt tixotróp viselkedésű bentoniton a viselkedés pontosabb megismerése céljából méréseket hajtottunk végre. Ennek eszköze a későbbiekben ismertetésre kerülő reometria, mely az anyag reológiai paramétereinek vizsgálatára szolgál. Tixotróp viselkedés esetén ez a viszkozitás változását jelenti. A vizsgált anyag A bentonit egy agyagfajta, melynek több változata is ismeretes, annak függvényében, hogy milyen domináns elemek találhatók meg benne. Ezen elemek általában alumínium, kálium, kalcium és nátrium. Az egyik legfontosabb tulajdonsága, hogy vízzel keveredve akár saját térfogatánál 15-20-szor nagyobb mennyiségű vizet képes megkötni. Leggyakrabban vulkáni hamu vízzel alkotott elegyéből származik. A nátrium-bentonit a betonit egyik legelterjedtebb fajtája, mely térfogata többszörösének megfelelő mennyiségű vizet képes megkötni. Elsősorban olajkutak fúrásánál, ún. fúróiszapként, illetve résfalas alapozás esetén alkalmazzák. Ilyenkor "résiszap" néven említik, vízből és diszpergált bentonitból áll. A réselés során alkalmazott zagy sűrűsége ρ s =1,03-1,12 g/cm 3 (Farkas, 1994). Segítségével az anyagok térfogatsűrűség különbségét kihasználva a kifúrt törmeléket a felszínre hozzák, valamint a fúrófej hűtését és kenését is ennek segítségével oldják meg. Térfogatnövekedése miatt az atomreaktorokban használt, már kiégett radioaktív fűtőanyagok tárolásánál is alkalmazzák a vízszivárgás megakadályozására. Hasonló módon használják szeméttelepek szigetelésére, mivel - vízzáró rétegként - szennyezett talaj alá terítve megakadályozza a káros anyagok talajvízbe szivárgását. Folyás és tixotrópia A tixotrópia az anyag reológiai jellemzőinek külső mechanikai erőhatásokra fellépő, időben reverzibilis változása. A tixotróp anyagok viszkozitása a nyírófeszültség (illetve deformációsebesség) és az idő előrehaladtával csökken. Az anyagok tixotróp viselkedése a folyásukkal van kapcsolatban. A részecskék a nyugalmi állapotban Brown-féle mozgást végeznek (1a. ábra). Ahhoz, hogy egy részecske elhagyja az egyensúlyi állapothoz tartozó helyét, akkora energiának kell rá hatnia, mely elegendően nagy ahhoz, hogy kiszakítsa az energetikai völgyből (1b. ábra). Ennek során a rácson található úgynevezett lyukak közt a szomszédos részecskék az új egyensúlyi állapotukat elfoglalva átugorhatnak (1c. ábra). Mivel nyugalmi helyzetben ez az átrendeződés
statisztikusan minden irányban ugyanakkora valószínűséggel történik meg, így makroszerkezeti változás nem tapasztalható (Pukánszky és Varga 2012). 1. ábra. A tixotrópia és a folyás fizikai magyarázata [Roussel, 2006] Folyás során azonban az energetikai gát alakja torzul, így az egyik irányba való kimozdulás a völgyből kisebb energiaszint mellett végbemehet, így ez az elmozdulás fog megtörténni. Ez már makroszerkezetileg is látható, az anyag folyása megindul. A tixotrópia időfüggő tulajdonság, az 1. ábrasorozaton ezt az mutatja, hogy az 1d. ábrán a pihentetés során az energetikai völgy mélyül, nagyobb energia szükséges a részecske kimozdításához, mint az 1b. ábra szerinti állapotból. A folyás számos tényezőtől függ. Kialakulhat úgy, hogy az anyag rácspontjain olyan ionok helyezkednek el, melyek nagy mennyiségű vizet képesek megkötni felületükön. Ekkor ez a megkötött vízburok (szolvátréteg) veszi körül a szemcséket, és a tényleges érintkezés a részecskék között megszűnik, a szolvátrétegükkel kapcsolódnak egymáshoz. Nyírás hatására ezek a burok-kapcsolatok nem fejtenek ki ellenállást a hatással szemben, a szemcsék elcsúszhatnak egymáson, így az anyag folyása megindul. Jellemzően ilyen anyagok az agyagásványok, melyek felépítő ionjai nagy mennyiségű víz megkötésére képesek a talaj-víz kolloid rendszerből. Egy másik lehetőség a folyás kialakulására az, ha a talajoldatban találhatók meg azok az ionok, melyek báziscserével az anyag rácspontjaira juthatnak, és képesek a szolvatációra. A vörösiszap esetén például a leginkább valószínű magyarázat az anyag nagy fajlagos felületéből következik, mivel így szintén nagy vízmennyiség megkötésére alkalmasan képes a szemcséket körülvevő szolvátburok kialakítására. A bentonit vizsgálata A vizsgálathoz a mányi bányából származó bentonittal dolgoztunk. Az ásványi összetétel megismerése céljából fázisanalitikai vizsgálatokat hajtottunk végre, röntgendiffrakciós (XRD) és differenciált termikus analízist (DTA). A röntgendiffrakciós vizsgálat során a púder finomságúra őrölt mintára röntgensugarakat irányítanak, és az interferenciát detektálják, a mért intenzitásértékekből, valamint azok helyéből következtethetünk az összetételre. Minden egyes ásványnak adott, és csak arra az ásványra jellemző kristályrács távolsága van. A porított minta, melyből nagyon kis mennyiség is elegendő, minden irányban elhelyezkedő ásványszemcséket tartalmaz, ezért a róla visszavert röntgensugarak is reprezentatívnak tekinthetők (Kopecskó 2002).
A 2. ábra mutatja a bentonit diffraktogramját és az 1. táblázat foglalja össze a mérés eredményeit. A 2. ábra vízszintes tengelyén a 2θ elhajlási szög található, függőleges tengelyen pedig az interferencia következtében létrejött sugárintenzitás, mely jelen esetben relatív intenzitás. 2. ábra. A bentonit minta diffraktogramja Bentonit Score Rel. Score Név Formula 4.42 0.25 α-kvarc SiO 2 4.28 0.23 Kalcit CaCO 3 2.29 0.21 Montmorillonit (Al,Mg) 2 Si 4 O 10 (OH) 2.23 0.06 Albit NaAlSi 3 O 8 1.89 0.09 Illit K-Na-Mg-Fe-Al-Si-O-H 1.82 0.03 Muszkovit KAl 2 (Si 3 Al)O 10 (OH,F) 1. táblázat. A bentonit összetevői A röntgendiffrakciós mérés egy roncsolásmentes vizsgálat, mivel az előkészített mintát nem károsítjuk, ezért a DTA vizsgálatot végrehajthattuk ugyanezen mintákon. A differenciál termoanalízis - mint a nevében is benne van - két anyag termikus tulajdonságait hasonlítja össze. A két anyag közül az egyik a vizsgálat tárgyát képező minta, a másik az összehasonlítás céljából felhasznált, termikusan inaktív, ún. inert anyag (referencia minta, általában izzított kaolinit vagy őrölt korund, Al 2 O 3 ). A berendezés tulajdonképpen egy szabályozható módon fűthető kemencéből, és ebben elhelyezve két mintatartóból áll. Mindkét mintatartóban egy-egy termoelem található, melyek feszültségéből következtethetünk a mintatartók hőmérsékletére. Az egyik mintatartóban általában inert, a hő hatására nem változó referencia anyagot helyeznek, a másik mintatartóba teszik a mérendő mintát (Kopecskó 2002). A kemencét felfűtve, a mérendő mintában lejátszódnak az előbbiekben említett fizikai és kémiai folyamatok, melyek hőt termelnek vagy vonnak el a mintából. Ez a minta hőmérsékletének a felfűtés sebességénél gyorsabb vagy lassabb emelkedését okozzák. A mérési tartomány általában szobahőmérséklettől 1000 C-ig terjed. Az inert anyagban semmilyen változás nem tapasztalható a mérési tartományon belül. A mintában végbemenő hőmérséklet- és tömegváltozást mérjük az inert anyaghoz viszonyítva. Az eredményeket négy görbén ábrázolva kapjuk: T görbe: hőmérséklet, DTA görbe: differenciál termoanalízis, TG görbe: termogravimetria, DTG görbe: a TG görbe differenciálhányadosa (derivált termogravimetrikus görbe).
Az vizsgálat végrehajtása alapján a bentonit minta összetétele a következő: klorit: 0-1 m% illit: 9,4-6,1 m% montmorillonit: 74,6-75,6 m% Így 84,1-82,7 m% agyagásványt tartalmaz a minta, mely az OH és H 2 O tömegváltozás alapján számítható. Emellett található még benne 2,7 m% CaCO 3, mely az 1. táblázatban is található, mint kalcit. A fennmaradó 13,2-14,6 m% olyan alkotókból áll, melyek nem szenvednek olyan átalakulást a mérési tartományon, mely tömegváltozást, vagy más jellegű hőreakciót okozna. Így a röntgendiffrakciós vizsgálat alapján ez a fennmaradó rész az alfa-kvarc, muszkovit, valamint földpátok jelenlétére utal. A bentonit TG és DTG görbéit a 3. ábra mutatja. Az ábrán háromféle szín érzékelteti az egyes tömegváltozások okait. A kék sáv a fizikailag kötött víz, a bordó a kémiailag kötött víz távozása miatti tömegveszteséget jelöli. A DTG görbén jól látható, hogy a 100-150 C hőmérsékletek között tömegváltozással járó reakciót mutat, ez a fizikailag kötött víz távozására utal, a 650-750 C közötti csúcs az OH csoportok jelenléte miatti tömegváltozást mutatja. A 2. táblázat tartalmazza a bentonit tömegveszteségeit. 3. ábra. A bentonit DTG és TG görbéi A B jelű minta TG tömegvesztesége [m%] Tömegveszteség oka Bentonit Fizikailag kötött víz 28,4 C-195,2 C között: 10,58 Kémiailag kötött víz 325,4 C-780,6 C között: 5,62 Karbonátok - Izzítási veszteség 16,94 2. táblázat. A bentonit termogravimetriás (TG) tömegveszteségei Mértékadó hézagtényező A vizsgálat a talaj és a víz kölcsönhatásának meghatározási módszere, főleg kötött talajok minősítésére alkalmas, ezért ez a vizsgálat az azonosító vizsgálatok elvégzése után elvégezhető. Ennek keretén belül egy ismert keresztmetszetű kémcsőbe kerül az előkészített anyag. Az előkészítés első lépése a szárítószekrényben tömegállandóságig tartó hőkezelés. A tömegállandóság beálltával mozsárban finom porrá kell őrölni a mintát, hogy az 0,1 mm-es lyukbőségű szitán áthullott részt felhasználva 5 gramm száraz mintát a kémcsőbe kell helyezni, majd desztillált vízzel felönteni. A vizsgálat 48 órán keresztül tart,
miközben többször felrázva meg kell győződni arról, hogy a minta megfelelően átnedvesedhet, valamint nem kerül a szemcsék közé levegőzárvány. A 48 óra leteltével meg kell mérni a leülepedett anyag térfogatát. A még ekkor nem leülepedett anyag, ha a víz fölötte nem átlátszó, nem értelmezhető eredményt ad (OVH 1987). A kapott értékeket az eredmény számszerűsítéséhez a következő kifejezésbe kell behelyettesíteni: ahol a mértékadó hézagtényező, a szilárd, hézag nélküli anyag sűrűsége [g/cm 3 ], V a lemért hézagtérfogat [cm 3 ], az ülepített talajminta száraz tömege [g]. Az értékelés Galli (OVH 1987) szerint az előírtaknak megfelelően előkészített talajraaz eredményeket a 3. táblázat mutatja. Talajminta értékelése Mértékadó hézagtényező (e k ) Rögösödő 0 < e k < 2 Vízálló 2 < e k < 3,5 Fellazuló 3,5 < e k < 6,0 Szétfolyó 6,0 < e k,vagy V nem meghatározható 3. táblázat. Mértékadó hézagtényező Galli (OVH 1987) szerint A vizsgálat végrehajtása többszöri megismétléssel történt, előállt az eltömődés jelensége. A rendszeres felrázások mellett is nehezen elérhető volt az, hogy a minta alja teljesen át tudjon nedvesedni. A méréstől eltérő mennyiségű tömeg bemérése esetén sikerült elérni a szükséges teljes átnedvesítést, ekkor a minta térfogata azonban nem volt mérhető 48 óra elteltével sem, így 'V' nem meghatározható alapján a bentonit szétfolyó értékelést kapott. Viszkozimetria Viszkozimetriai mérések során az anyag viszkozitásának változását vizsgáltuk. A tixotrópia jelenségét két mérés segítségével mutathatjuk ki. A tixotróp anyag viszkozitása nyírófeszültség alatt csökken, valamint tehermentesítés után nem épül vissza a szerkezete. Azaz, a viszkozitás-nyírássebesség diagram lebontó ága és a visszaépülő ága között eltérés van, hiszterézis tapasztalható. A vizsgált bentonit minta viszkozitásának időbeli változását mutatja be az 5. ábra. A mérést több különböző, állandó nyírássebességgel is elvégeztük. A diagramon jól látható, hogy a viszkozitás, és ezzel összhangban a mért nyírófeszültség csökkenő tendenciát mutat az idő függvényében, ami az anyag egyensúlyi, feszültségmentes állapotában kialakult szerkezetének lebomlásával magyarázható. A viszkozitás minden esetben egy, az alkalmazott nyírássebességtől függő határértékhez tart. A csökkenés üteme szintén nem független a nyírási körülményektől: minél nagyobb nyírófeszültségnek tesszük ki az anyagot, annál gyorsabb a szerkezet lebomlása. Ismerve a bentonit vízfelvételi tulajdonságait, valamint azt, hogy a "résiszap" milyen jellemzőkkel bír, négy különböző víztartalmú mintán hajtottuk végre. A kialakult hurok területe az elvárásoknak megfelelően alakult, a közepes (20 perces) időtartamú vizsgálat során tapasztalható volt a szerkezet visszaépülése, a felszálló és a leszálló ág esetén nem
ugyanaz a görbe adódott, a hiszterézis hurok látható. A beállított víztartalmak a következők: 200 %, 250 %, 275 % és 300 %. A mérés során minden víztartalom esetén kétszer hajtottuk végre a vizsgálatot, és ha nem volt jelentős eltérés tapasztalható, lett az eredmény elfogadva. Az anyag szerkezetének visszaalakulása látható a görbe két ága közti eltérésben. A víztartalom növekedése során ez a terület csökkent, a 200%-os víztartalmú mint esetén volt a legnagyobb, azaz ez a minta a "legtixotrópabb", majd ez a terület csökkent, a 275% és 300% víztartalmú minta esetén közel azonosnak mondható a hurok területe. Az eredmények a 4. ábrán láthatók. A hiszterézis hurkok területének jobb összehasonlítására az 5. ábrán log-log rendszerben ábrázolva láthatók a mérési eredmények. 4. ábra. A bentonit minta nyírása során tapasztalt hiszterézisek 5. ábra. A hiszterézisek log-log ábrázolásban
Összefoglalás A tixotróp tulajdonság kimutatásához a viszkozimetria eszközeivel hajtottunk végre méréseket. Az anyag viselkedése nyírás során terhelés-tehermentesítés alatt mutatja az úgynevezett hiszterézis hurok jelenségét. Ezen hurok nagysága, illetve a két ág által közrezárt terület mutatja a tixotrópia mértékét. A bentonit esetén a víztartalom növelésével a hurok területe csökkent, a szerkezet lebontása egyre gyorsabban ment végbe, egyre kisebb kezdeti viszkozitás értéket mutatva. A visszaépülése a szerkezetnek minimális volt minden esetben, vélhetően a teljes helyreálláshoz még a lassú vizsgálat (40 perc) esetén is kevés idő volt hagyva, hogy rendeződjenek a szemcsék. A vizsgálat alapján látható, hogy a tixotrópia mértéke segíthet eldönteni, milyen víztartalommal kerüljön a bentonit beépítésre Az új reológiai vizsgálatok kimutatták - mint ahogy tudtuk -, a bentonit valóban tixotróp viselkedésre hajlamos. Az azonosító vizsgálatok során tapasztalt agyagásvány mennyiség, valamint a minta nagy fajlagos felülete okozhatja a nagy mennyiségű vízfelvételt, mely terhelés hatására a folyósodáshoz vezethet. A mértékadó hézagtényező vizsgálat is megerősítette ezt, a szétfolyó kategória tükrözi a bentonit vízzel való kapcsolatát. Valószínű, hogy a mértékadó hézagtényező vizsgálata segíthet a jelenség gyors vizsgálatára. Irodalom: Barnes, H. A., Hutton, J. F., Walters, K.: Bevezetés a reológiába, Elsevier Science Publisher B.V., 1993. Farkas J.: Alapozás, Budapest, Műegyetemi Kiadó, 1994, Azonosító: 95012. Kopecskó K.: Derivatográfia és Rtg-diffrakció mérnöki feladatok megoldásában ÉPKO 2002 konferencia kiadvány, Nemzetközi Építéstudományi Konferencia, Csíksomlyó, 2002.06.06-09. pp. 135-141. ISBN: 973 85809 00. Nagy G.: Tixotrópia vizsgálata a geotechnikában, MSc. diplomamunka, 2013. Nagy G, Huszák T, Nagy L, Kopecskó K: Vörösiszap tixotróp viselkedésének vizsgálata, In: Nagy L, Takács A (szerk.) 3. Kézdi Konferencia kiadványa,budapest: BME Geotechnikai Tanszék, (2013). pp. 119-128. ISBN: 978-963-313-081-0 Országos Vízügyi Hivatal kiadványa: Árvízvédelmi gátak építése és fenntartása, Budapest, Vízügyi Dokumentációs Szolgáltató, 1987, ISBN: 963-602-377-8. Pukánszky B. és Varga J.: Bevezetés a műanyagok fizikájába, Budapest, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, 2012, ISBN: 978-963-313-047-6. Roussel, N.: A thixotropy model for fresh fluid concretes: Theory, validation and applications, 2006, http://perso.lcpc.fr/nicolas.roussel/article29.pdf.