Influence of environmental factors on physical and mechanical characteristics of the opoka-rocks

• Autorzy: Pękala Agnieszka , Puch Filip

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.138503

Warianty tytułu

PL

Wpływ czynników środowiskowych na właściwości fizyczne i mechaniczne opok

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents laboratory analyses of the influence of an acidic environment, salinity and temperature change are able to exert on the geomechanical properties of the opoka-rocks. This rock material, deriving from four sites in East-Central Poland, was found to be variously resistant to factors like the destructive action of water-soluble salts and the effects of an acidic environment, on account of the actually-diverse nature of the rocks in question. Ultimately, the work offered a basis for a distinction to be drawn between the light opoka-rocks present at the Annopol and Kazimierz Wielki sites, and the heavy opoka-rocks from Bochotnica and Krasnobród, in terms of both textural and physical-mechanical features. The heavy opoka-rocks from Krasnobród proved least resistant to an acidic environment, which left strength reduced significantly. This kind of rock also experiences both an increase in porosity and absorbability and a decrease in weight. Furthermore, the influence of an acidic environment on aesthetic features of the examined rocks was in all cases negative, salts formed a patina on surfaces that obscured original structural and textural features. None of the tested types of rock presented resistance to the crystallization pressure such salt is able to exert.

PL

W ramach przeprowadzonych badań nad opokami pochodzącymi z miejscowości: Kazimierz Dolny, Annopol, Bochotnica i Krasnystaw stwierdzono, że należą one do grupy skał przejściowych pomiędzy węglanowami a krzemionkowymi. W efekcie badań stwierdzono opoki lekkie oraz ciężkie, różniące się gęstością objętościową. W miejscowościach Annopol i Kazimierz Dolny rozpoznano opoki lekkie, natomiast w Bochotnicy i Krasnobrodzie, opoki ciężkie. Przedmiotowe skały charakteryzują się dużym współczynnikiem zmienności w badaniach wytrzymałościowych, dlatego zaleca się wykonywanie badań opok na większej liczbie próbek. Wysoka porowatość opok wpływa na ich dobre właściwości termoizolacyjne, jednak cecha ta oddziałuje na wzrost nasiąkliwości badanych skał. W wyniku oddziaływania wody radykalnie spada ich wytrzymałość na ściskanie. W opokach lekkich zanotowano trzykrotny spadek tego parametru od wartości pierwotnej. Wszystkie typy skał, wykazały brak odporności na krystalizację soli. Wykazano, ze obecność kryształów soli w porach i pustkach skalnych powodowała wzrost wytrzymałości na ściskanie. W przypadku opoki lekkiej z Kazimierza Dolnego zaobserwowano wzrost wytrzymałości o 8.9%, a opoki ciężkiej z Krasnobrodu o 28,9%. Sól krystalizująca w warstwach przypowierzchniowych ma właściwości higroskopijne, co wpłynęło na zwiększenie nasiąkliwości powierzchniowej. Zaobserwowano, że w pewnych przypadkach, kiedy pory kamienia mają duże rozmiary lub gdy roztwór soli nie wypełnił ich w dostatecznym stopniu, krystalizacja soli nie powoduje wzrostu ciśnienia, w wyniku czego nie dochodzi do obniżenia wytrzymałości. Badania oddziaływania kwaśnych roztworów na opoki, wykazały wpływ na redukcję wytrzymałości. Największy spadek wytrzymałości na ściskanie wykazała ciężka opoka z Karsnobrodu. Wynikało to z największej zawartości węglanu wapnia wchodzącego w reakcję z kwasami. Ponadto, rozpuszczanie się składników skały w kwaśnym roztworze zwiększa jej porowatość, co skutkuje zwiększeniem nasiąkliwości. W wyniku reakcji węglanu wapnia z kwasem na powierzchni kamienia, tworzą się sole o właściwościach higroskopijnych, które mogą znacznie zwiększyć powierzchniową absorpcję wody. Na skutek zanurzania w kwasie i rozpuszczania się składników skały, zaobserwowano utratę ich masy. Największy spadek wynoszący 4,1% wykazała ciężka opoka z Krasnobrodu. Oddziaływanie kwaśnego środowiska powoduje pogorszenie ich walorów estetycznych. Sole krystalizujące na ich powierzchniach tworzą warstwę patyny, która zaciera pierwotne cechy strukturalno-teksturalne opok.

Słowa kluczowe

EN

crystallization pressure; acidic environment; saline environment; geomechanical properties; transitional rocks; opoka

PL

ciśnienie krystalizacji; środowisko kwaśne; sole; właściwości geomechaniczne; skały przejściowe; opoka

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 67, nr 4
• Strony: 337--350
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Pękala Agnieszka

• Rzeszów University of Technology, Faculty of Civil, Environmental Engineering and Architecture, Rzeszów, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-5011-3060

autor

Puch Filip

• Rzeszów University of Technology, Faculty of Civil, Environmental Engineering and Architecture, Rzeszów, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-2858-1540

Bibliografia

• [1] A. Nowakowski, “A few remarks on the laboratory determination of the compressive strength of rocks in the light of the applicable standards and recommendations”. Works of the Strata Mechanics Institute PAN, vol. 16, no. 1-2, 2014.
• [2] A. Pękala and J. Hydzik-Wiśniewska, “Analysis of temporal leachibility of trace elements to the environment of opoka-rocks used in historical building”. E3S Web Conf. vol. 49, p. 81, 2018, DOI: 10.1051/e3sconf/ 20184900081.
• [3] A. Pękala, “The influence of siliceous mineral phases on the mechanical properties of transitional rocks in the Bełchatów lignite deposit”. Archives of Civil Engineering, vol. 61, no. 4, 2015, DOI: 10.1515/ace-2015-0035.
• [4] A. Pękala, “The mineral character and geomechanical properties of the transitional rocks from the mesozoic-neogene contact zone in the Bełchatów lignite deposit”. Journal of Sustainable Mining, vol. 13, no. 1, 2014, DOI: 10.7424/jsm140103.
• [5] B. Grelk, P. Goltermann, and B. Schouenborg, “The laboratory testing of potential bowing and expansion of marble”. in: Prikryl R. (ed.) Dimension Stone. Taylor and Francis Group, London, 2004.
• [6] C.H.B. Sperling and R.U. Cooke, “Laboratory simulation of rock weathering by salt crystallization and hydration processes in hot, arid environments”. Earth Surf Processes Landforms, vol. 10, pp. 541-555, 1985.
• [7] C. Rodriguez-Navarro, E. Doehne, and E. Sebastian, “How does sodium sulfate crystallize? Implications for the decay and testing of building materials”. Cement and Concrete Research, vol. 30, pp. 1527-1534, 2000, DOI: 10.1016/S0008-8846(00)00381-1.
• [8] D.T. Nicholson and F.H. Nicholson, “Physical deterioration of sedimentary rocks subjected to experimental freeze-thaw weathering”. Earth Surface Landforms, vol. 25, pp. 1295-1307, 2000, DOI: 10.1002/1096-9837(200011)25:123.0.co;2-e.
• [9] D. Benavente et al. “Role of pore structure in salt crystallisation in unsaturated porous stone”. Journal of Crystal Growth, vol. 260, pp. 532-544, 2004, DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2003.09.004.
• [10] E. Hycnar and A. Pękala, “Opoka-rock from the Bełchatów lignite deposit and the possibilities of its practical use”. BiIŚ, vol. 276-54, no. 2-11, 2011.
• [11] J. Pinińska, “Geomechanical properties of the opoka-rocks”. Mining and Geoengineering, vol. 32, no. 1, 2008.
• [12] J. Pinińska, “Rock mining in the Lublin region. Destruction or development?” Journal Works and Geographical Study, vol. 44, pp. 153-167, 2010.
• [13] J. Ruedrich, D. Kirchner, and S. Siegesmund, “Physical weathering of building stones induced by freeze-thaw action: a laboratory long-term study”. Environ Earth Sci., vol. 63, pp. 1573-1586, 2011, DOI: 10.1007/s12665-010-0826-6.
• [14] L. Gmelin, “Handbuch der anorganischen chemie”. Aufl. Natrium Erg. Bd., vol. 3, Verlag Chemie, Weinheim, 1966.
• [15] M. Akin and A. Ozsan, “Evaluation of the long-term durability of yellow travertine using accelerated weathering tests”. Bull Eng Geol Environ, vol. 70, pp. 101-114, 2011, DOI: 10.1007/s10064-010-0287-x.
• [16] M.H. Ghobadi and R. Babazadeh, “Experimental Studies on the Effects of cyclic freezing-thawing, salt crystallization and thermal shock on the physical and mechanical characteristics of selected sandstones”. Rock Mechanics and Rock Engineering, vol. 48, pp. 1001-1016, 2015, DOI: 10.1007/s00603-014-0609-6.
• [17] M. Hobler, “Research on the physical and mechanical properties of rocks”. Ed. PWN, Warsaw, 1977.
• [18] M. Koniorczyk and D. Gawin, “Modelling of salt crystallization in building materials with microstructure - Poromechanical approach”. Construction and Building Materials, vol. 36, pp. 860-873, 2012.
• [19] M. Labus, “The influence of atmospheric pollution on the destruction of monumental stone buildings in Upper Silesia”. Archives of Environmental Protection, vol. 24, no. 1, pp. 17-26, 1998, RN:32042066.
• [20] M. Rembis and A. Smolenska, “Resistance of selected Carpathian sandstone to salt crystallization and the changes of their microstructures”. Mineral Resources Management, vol. 26, no.1, pp. 37-59, 2010.
• [21] M. Trochonowicz, “Analysis of the effectiveness of the membrane made by chemical injection methods in walls composed of the calcified opoka-rock”. Part I. Magazine Construction and Architecture, vol. 11, 2012.
• [22] N. Tsu, R.J. Flatt, and G.W. Scherer, “Crystallization damage by sodium sulfate”. Journal of Cultural Heritage, vol. 4, pp. 109-115, 2003, DOI: 10.1016/S1296-2074(03)00022-0.
• [23] P. Klemm, “Collective work: General construction”. Vol. 2, Building physics. Ed. Arkady, Warsaw, 2005.
• [24] PN-EN 1936:2001. Methods of research for natural stone. Determination of bulk density, total and open porosity [Polish Standard].
• [25] PN-EN 1926:2007. Methods of research for natural stone. Determination of compressive strength in the air-dry state [Polish Standard].
• [26] PN-EN 12370:2001. Methods of research for natural stone. Determination of resistance to salt crystallization. [Polish Standard].
• [27] PN-EN 13755:2008. Methods of research for natural stone. Determination of water absorbability at atmospheric pressure. [Polish Standard].
• [28] PN-EN 1925:2001. Methods of research for natural stone. Determination of the capillary absorbability coefficient. [Polish Standard].
• [29] PN-EN 12371:2010. Methods of research for natural stone. Determination of frost resistance. [Polish Standard].
• [30] S. Kozłowski, “The rock raw material of Poland”. Ed. Geol., Warsaw, 1986.
• [31] W. Domasłowski, “Preventive conservation of stone monuments”. Collective work edited by UMK, Torun, 1993.
• [32] W. Wilczyńska-Michalik, “Influence of atmospheric pollutionon the weathering of Stones in Cracow monuments and rock outcrops in Cracow-Czestochowa Upland and the Carpathians”. Ed. Nauk. Akad. Pedag., Kraków, 2004. http://hdl.handle.net/11716/974.
• [33] X. Tan et al., “Laboratory investigations on the mechanical properties degradation of granite under freeze-thaw cycles”. Cold Regions Sci. Technol., vol. 68, pp. 130-138, 2011, DOI: 10.1016/j.coldregions.2011.05.007.
• [34] Z. Suchorab., D. Barnat-Hunek, and H. Sobczuk, “Measurements of the humidity of the walls from the Kazimierz calcified opoka-rock with using the TDR method”. Journal Construction and Architecture, vol. 2, 2008.