Vliv zvětrávacích procesů na fyzikálně-mechanické vlastnosti pískovců

Abstract

Pískovce patří mezi hojně používané sochařské a stavební materiály jak v České republice, tak na celém světě. Působením zvětrávacích procesů dochází ke změnám kvalitativních vlastností těchto hornin a snížení jejich trvanlivosti. Vliv zvětrávacích procesů na stavební horniny lze simulovat pomocí metod praktického zkušebnictví, které je nejčastěji zaměřeno na stanovení mrazuvzdornosti a odolnosti vůči krystalizaci solí. Tyto normové postupy však neodpovídají specifickým klimatickým podmínkám, ve kterých se horninový materiál vyskytuje nebo pro které může být určen. Z tohoto důvodu byl v rámci disertační práce použit simulační zkušební program vycházející ze statistického vyhodnocení pražských zimních klimatických dat. Do studia byl zahrnut vliv posypových solí hrající v procesu zvětrávání v městském prostředí důležitou roli. Program spočívá v cyklickém zmrazování/rozmrazování horninových těles, které jsou nasáklé destilovanou vodou nebo roztokem chloridu sodného o stanovené koncentraci. Předmětem studia byly vyvolané změny fyzikálně-mechanických vlastností, změny vnitřní struktury a změny chemického složení tří běžně dostupných pískovců - hořického, božanovského a kocbeřského. Během zahraniční stáže byly dodatečně do studie k disertační práci zahrnuty i dva typy slovenských sedimentárních hornin - drobnozrnného slepenec ze Spišské kapituly a droba z lokality Mulický les. Mezi studované fyzikálně-mechanické vlastnosti patří např. pevnost v prostém tlaku, nasákavost a objemová hmotnost. Změny vnitřní struktury byly hodnoceny pomocí studia změn parametrů pórového prostoru. Pro tyto účely byly použity např. metody rtuťové porozimetrie a rentgenové mikrotomografie. Změny chemického složení pískovcového tmelu a matrix byly studovány např. pomocí metody rentgenové difrakce a diferenčně termické analýzy. Horninové vzorky byly rovněž podrobeny mikroskopickému studiu. Na základě získaných výsledků lze konstatovat, že u všech pískovcových typů dochází k odlišnému vývoji fyzikálně-mechanických vlastností v závislosti na zvyšujícím se počtu cyklů zmrazování/rozmrazování a rovněž v závislosti na tom, zda byla k namáčení těles použita destilovaná voda či roztok chloridu sodného. V rámci disertační práce bylo prokázáno, že nejvýznamnější vliv na změny fyzikálně-mechanických vlastností mají změny vnitřní struktury (pórového prostoru obecně) při použitém schématu zatěžování. Uplatnění chemického zvětrávání v procesu degradace zkoumaných hornových typů nebylo prokázáno. Na základě porovnání a výsledky jiných autorů lze konstatovat, že zvolené schéma zatěžování nemělo na studovaný horninový materiál takový destruktivní vliv jako použití normových postupů.

Sandstones belong among widely used sculptural and building materials in the Czech Republic and all around the world. Actions of weathering processes lead to changes in their qualitative properties and decrease in their durability. To simulate the influence of weathering processes on building stones, the standardized test methods are used. The standardized test methods are mainly focused on the determination of frost resistance and resistance to salt crystallization. These standardized test methods often do not correspond with specific climatic conditions of the place, where the stone is used or for which the material is intended. For this reason, the simulation program based on the statistical analysis of Prague's winter climatic data was used in this PhD thesis. The study was also focused on the influence of road salts participating significantly in the weathering processes of the urban environment. The program consists of freeze/thaw cycles of stone specimens, which are soaked with distilled water or with the solution of sodium chlorite of determined concentration. The induced changes of physical-mechanical properties, changes of the internal structure and also changes of chemical composition of three commonly available sandstones - Hořice, Božanov and Kocbeře - were subject of the study. Two types of Slovak sedimentary stones - fine grained conglomerate from Spišská kapitula and greywacke from Mulický les - were added into the research as a subject of the study during foreign internship in Slovakia. The physical-mechanical properties studied were e.g. uniaxial compressive strength, water absorption and apparent density. The changes of internal structure were evaluated using the study of the changes in the parameters of pore space. For these purposes, the methods of mercury porosimetry and X-Ray microtomography were used among others. The changes of chemical composition of sandstone's cement and matrix were studied using for example X-Ray powder diffraction and differential thermal analysis. The stone samples were also analysed using the microscopic methods. Based on the gained result, it is possible to state that in every sandstone type the development of physical-mechanical properties is different, depending on the increasing number of freeze/thaw cycles and also depending on the soaking liquid used (distilled water or sodium chlorite solution). This PhD thesis proves that changes of the internal structure, and pore space generally (depends on the loading scheme used), have the most important influence on physical-mechanical properties. The participation of chemical weathering within the degradation process of selected stone types was not proved. Based on the comparison with results of other experiments it is possible to state, that the used loading scheme did not have as destructive influence as the use of standardized test methods.