Changes of selected structural and mechanical properties of the Strzelin granites as induced by thermal loads

• Autorzy: Nowakowski A. , Młynarczuk M.

Warianty tytułu

PL

Wpływ obciążeń termicznych na zmiany niektórych strukturalnych i mechanicznych właściwości granitów strzelińskich

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Temperature is one of the basic factors influencing physical and structural properties of rocks. A quantitative and qualitative description of this influence becomes essential in underground construction and, in particular, in the construction of various underground storage facilities, including nuclear waste repositories. The present paper discusses the effects of temperature changes on selected mechanical and structural parameters of the Strzelin granites. Its authors focused on analyzing the changes of granite properties that accompany rapid temperature changes, for temperatures lower than 573ºC, which is the value at which the β - α phase transition in quartz occurs. Some of the criteria for selecting the temperature range were the results of measurements carried out at nuclear waste repositories. It was demonstrated that, as a result of the adopted procedure of heating and cooling of samples, the examined rock starts to reveal measurable structural changes, which, in turn, induces vital changes of its selected mechanical properties. In particular, it was shown that one of the quantities describing the structure of the rock - namely, the fracture network - grew significantly. As a consequence, vital changes could be observed in the following physical quantities characterizing the rock: primary wave velocity (vp), permeability coefficient (k), total porosity (n) and fracture porosity (η), limit of compressive strength (Rσ1) and the accompanying deformation (Rε1), Young’s modulus (E), and Poisson’s ratio (ν).

PL

Wśród wielu czynników wpływających na właściwości fizyczne i strukturalne skał jednym z najważniejszych jest bez wątpienia temperatura. Jej podwyższenie lub obniżenie może prowadzić do zmian struktury, spowodować przemiany fazowe składników, zmieniać skład chemiczny a wreszcie, stan skupienia skały. Procesy te mogą więc w istotny sposób zmienić właściwości fizyczne skały, co jest istotne między innymi z punktu widzenia szeroko rozumianego budownictwa podziemnego. Zmiany temperatury skały mogą wynikać z warunków naturalnych, w jakich się ona znajduje lub być konsekwencją działalności człowieka. Szczególnym przypadkiem takiej działalności jest budowa różnego typu składowisk podziemnych czy to magazynowych (np. magazyny paliw płynnych) czy też „podziemnych śmietników” na różnego rodzaju odpady, także promieniotwórcze. Artykuł skupia się na badaniach wpływu zmian temperatury na wybrane parametry mechaniczne i strukturalne granitów ze Strzelina. Autorzy skoncentrowali się na analizie zmian właściwości tych skał towarzyszących szybkim zmianom temperatury, w zakresie od temperatury pokojowej do 573ºC, czyli do temperatury, przy której zachodzi przemiana fazowa kwarcu β - α. Badania prowadzono na dwóch odmianach granitoidów z masywu Strzelin-Žulowa. Jedna z nich to odmiana „młodszą”, tzw. normalna, o charakterze adamellitu a druga to odmiana „starszą” wykazującą podobieństwo do gnejsów. Na potrzeby niniejszej pracy granit normalny nazywano granitem gruboziarnistym, a granit gnejsowaty - drobnoziarnistym. Procedura badawcza polegała na tym, że walcowe próbki skal umieszczano w piecu nagrzanym do zadanej temperatury, celem wywołania „szoku” termicznego. Stosowano temperatury 100, 200, 300 i 500 stopni Celsjusza. Po upływie 60 minut piec, w którym znajdowała się próbka wyłączano i stygł on wraz z próbką do temperatury pokojowej. Przyjęty czas wygrzewania miał zapewnić równomierne nagrzanie próbki w całej jej objętości. Wyznaczony on został na podstawie pomiarów przewodnictwa temperaturowego. Wyniki badań mikroskopowych przeprowadzone dla granitów wygrzewanych w opisany sposób wskazują, że istotną zmianą strukturalną jest powstanie nowych i (lub) rozrost już istniejących spękań. W pracy zaprezentowano wyniki badań ilościowych, które świadczą o tym, że zastosowana procedura grzania szokowego pociąga ze sobą wzrost spękań rozumiany zarówno jako wzrost ich długości jak i rozwartości a w konsekwencji ich powierzchni (patrz rys. 6), Ponadto spękania te są praktycznie niezauważalne pod mikroskopem optycznym i uwidaczniają się dopiero pod mikroskopem skaningowym, Analizując dwie odmiany granitu zauważono, że zdecydowanie większy wzrost spękań występuje w granicie gruboziarnistym. Jakkolwiek rozrost istniejących i powstanie nowych spękań nie są jedynymi zmianami strukturalnymi zauważonymi w podgrzewanych skałach (porównaj rozdział 3.1 i 3.2), to w rezultacie zaprezentowanych wyników badań przyjęto, że są one tym procesem, który wywiera największy wpływ na właściwości fizyczne badanych skał. W badanych nie zaobserwowano przemian fazowych. Zwrócono natomiast uwagę na niewielkie zmiany chemiczne. Ich przykładem może być np. oksydacja skaleni i biotytu, czego efektem jest opisana zmiana barwy biotytu (patrz rys. 5). Badania dylatometryczne, których wynik zaprezentowano na rys 17 pokazały, że względny przyrost wymiarów liniowych próbek skał towarzyszący zmianom temperatury w przyjętym zakresie osiąga 0,085% dla granitu drobno- i 0,11% dla gruboziarnistego. Zakładając, że granity można uważać za skały jednorodne i izotropowe można w tym momencie oszacować, że ich trwała zmiana objętości (dylatancja) będąca wynikiem grzania szokowego wyniesie odpowiednio 0,255% i 0,33%. Są to wartości tego samego rzędu, co pokazane wcześniej (rys. 16) wartości porowatości spękań. Potwierdzeniem przypuszczeń o związku pomiędzy przyjętą procedurą obróbki termicznej skały a powstawaniem w niej spękań są wyniki badań przepuszczalności oraz badań porozymetrycznych pokazane w rozdz. 4.2. Zależności widoczne na rys. 8, 9 i 10 pokazują, że dla badanych granitów wraz ze wzrostem temperatury grzania szokowego następuje wyraźny wzrost przepuszczalności i porowatości. Należy przy tym wziąć pod uwagę, że zarówno badania porozymetryczne jak i badania przepuszczalności dostarczają jedynie informacji na temat spękań otwartych, połączonych ze sobą i z brzegami próbki. Nie dają one natomiast żadnych informacji na temat spękań izolowanych. Analizując wyniki testów jednoosiowego ściskania stwierdzić należy, że dla badanego materiału wraz ze wzrostem temperatury grzania szokowego zaobserwowano spadek wytrzymałości oraz sztywności próbki (rys. 11 i 13) połączony ze wzrostem jej odkształcalności (rys. 12). Przyczyny takiego zachowania badanych próbek granitowych można powiązać z pojawianiem się - w wyniku procedury grzania szokowego - nowych oraz rozrostem istniejących już w próbce mikrospękań. W rozdziale 4.3 zaprezentowano wyniki pomiarów współczynnika Poissona. Dla badanych granitów trudno dopatrzyć regularności w zależności ν(Tg), co może być konsekwencją trudności związanych ze stosowaną techniką pomiaru odkształceń poprzecznych Wydaje się jednak, że anomalia zilustrowana na rys. 14 jest zjawiskiem fizycznym polegającym na tym, że deformacja poprzeczna szkieletu próbki podczas jej jednoosiowego ściskania powoduje zamykanie się w próbce tych spękań, które są odchylone od kierunku siły obciążającej. Reasumując należy stwierdzić, że w pracy wykazano, że wskutek przyjętej procedury ogrzewania i chłodzenia próbek w badanych granitach zachodzą mierzalne zmiany strukturalne pociągające za sobą istotne zmiany wybranych właściwości mechanicznych. W szczególności wykazano, że spośród wielkości charakteryzujących strukturę skały znaczącemu rozrostowi uległa sieć spękań. Konsekwencją tych zmian były znaczące zmiany takich charakteryzujących skałę wielkości fizycznych jak: prędkość podłużnej fali akustycznej (vp), współczynnik przepuszczalności (k), porowatość całkowita (n) i porowatość spękań (η), granica wytrzymałości na ściskanie (Rσ1) i towarzyszące jej odkształcenie (Rε1), moduł Younga (E) i współczynnik Poissona (ν).

Słowa kluczowe

EN

rock properties; rock structure; thermal load; cracks; sound wave velocity; porosity; permeability; compressive strength; Young modulus; Poisson ratio

PL

właściwości skał; struktura skał; obciążenie termiczne; spękania; prędkość fali dźwiękowej; porowatość; przepuszczalność; wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie; moduł Younga; współczynnik Poissona

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 57, no. 4
• Strony: 951--974
• Opis fizyczny: Bibliogr. 45 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Nowakowski A.

• Strata Mechanics Research Institute of the Polish Academy of Sciences, ul. Reymonta 27, 30-059 Kraków, Poland

autor

Młynarczuk M.

• Strata Mechanics Research Institute of the Polish Academy of Sciences, ul. Reymonta 27, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• Alm O., Jaktlund L.-L., Kou S., 1985. The influence of microcrack density on the elastic and fracture mechanical properties of Stripa granite. Physics of the Earth and Planetary Inte-riors, 40, 161-179.
• Araújo R.G.S., Sousa J.L.A.O., Bloch M., 1997. Experimental Investigation on the Influ-ence of Temperature on the Mechanical Properties of Reservoir Rocks. Int. J. Rock Mech. & Min. Sci., Vol. 34, No. 3-4, Paper No. 298.
• Boyle W.J., Datta R.N., 1999. A Potential High-Level Nuclear Waste Repository at Yucca Moun-tain, Nevada, USA, ISRM News Journal, Vol. 6, No. 1, p. 44-49.
• Brace W.T., Kohlstedt D.L., 1980. Limits on lithospheric stress imposed by laboratory ex-periments. J. Geophys. Res., Vol. 85, p. 6248-6252.
• Brown E.T. (ed.), 1981. Suggested Methods for Determining the Uniaxial Compressive Strength and Deformability of Rock Materials. In: “Rock Characterization, Testing and Monitoring; ISRM Suggested Methods”, Pergamon Press, Oxford, United Kingdom.
• Calleja L., Ruiz de Argandona V.G., 1984. Variacion de la porosidad y caracteristicas dinamicas en rocas sometidas a incrementos termicos. In: Proc. VIII Simp. Nac. Soc. Esp. Mec. Rocas, Madrid.
• Chaki S., Takarli M., Agbodjan W.P., 2008. Influence of thermal damage on physical proper-ties of a granite rock: Porosity, permeability and ultrasonic wave evolutions. Construction and Building Materials, Vol. 22, p. 1456-1461.
• Chmura K., 1970. Własności fizyko-termiczne skał niektórych polskich zagłębi górniczych. Wyd. „Śląsk”, Katowice.
• Chmura K., Chudek M., 1999. Geotermomechanika górnicza. Śląskie Wydawnictwo Tech-niczne, Katowice.
• Chmura K., Myrcha A., 1980. Związki funkcyjne między ziemskim strumieniem ciepła a własno-ściami geotermomechanicznymi skał w górotworze. Międzynar. Biuro Górniczej Fizyki Cieplnej, Mat. Konf., Katowice.
• Danek T., Konečný P., Kožušniková A., Nowakowski A., 2001. Influence of temperature on per-meability and stressstrain behaviour of granodiorite. Documenta Geonica, 51-58.
• Darot M., Gueguen Y., Baratin M.L., 1992. Permeability of thermally cracked granite. Geophys. Res. Lett., 19, 869-872.
• David C., Menéndez B., Darot M., 1999. Influence of stress-induced and thermal cracking on physical properties and microstructure of La Peyratte granite, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 36, 433-448.
• Griggs D.T., Turner F.J., Borg I., Sosoka J., 1951. Deformation of Yule marble. Part IV. Effects at 150 °C, Bull. Geol. Soc. Am., 62, 1385-1406.
• Griggs D.T., Turner F.J., Heard H.C., 1960. Deformation of rocks at 500 to 800°C. In: Rock de-formation, Griggs D.T. & Handin J. (eds.), A symposium: Geological Society of America Memoir 79, 39-104.
• Griggs D.T., Handin J. (eds.), 1960. Rock deformation. A symposium: Geological Society of America Memoir 79, p. 382.
• Gustkiewicz J., 1989. Volumetric deformations of a rock and its pores. Arch. Min. Sci., Vol. 34, No 3, p. 593-609.
• Gustkiewicz J., 1996. Permanent changes in deformations and strengths of rocks due to hydro-static pressure. In: High Pressure Science and Technology, Trzeciakowski (ed),World Scientific, 909-912.
• Heard H.C., Page L., 1982. Elastic moduli, thermal expansion and inferred permeability of two granites to 350°C and 55 MPa. J. Geophys. Res., 87, 9340-9348.
• Hobler M., 1977. Badania fizykomechanicznych własności skał. PWN Warszawa, 310 s.
• Homand-Etienne F., Houpert R., 1989. Thermally Induced Microcracking in Granites: Characteri-sation and Analysis. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., Vol. 26, No. 2, p. 125-134.
• Hudson J.A., 1999. Lessons Learned from 20 Years of UK Rock Mechanics Research for Radioac-tive Waste Disposal, ISRM News Journal, Vol. 6, No. 1. P. 27-41.
• Jansen D.P. et al., 1993. Ultrasonic imaging and acoustic emission monitoring of thermally induced microcracks in Lac du Bonnet granite. J. Geophys. Res., 98, 31-43.
• Jiang H-k., Zhang L., Zhou Y-s., 2000. Granite deformation and behaviour of acoustic emis-sion sequence under the temperature and pressure condition at different crust depths, Acta Seis-mologica Sinica, Vol. 13, No. 4, p. 424-433.
• Kožušniková A., 1999. Zkoušky porušování ohřívaných hornin vodním paprskem bez přísad (2. část: Úplný popis materiálů), Zpráva ke smlouvě o dílo č. 331/99/10, Ústav Geoniky AV ČR, Ostrava-Poruba (niepubl.).
• Lin W., Daily W., 1990. Hydrological Properties of Topopah Spring Tuff Under a Thermal Gradient - Laboratory Results. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., Vol. 27, No 5, p. 373385.
• Menendez B., David C., Martinez A., 1999. Confocal scanning laser microscopy applied to the study of void networks in cracked granite samples and in cemented sandstones. In: Proceedings of GEOVISION’99, Univ. of Liege.
• Młynarczuk M., Ratajczak T., 2003. Wpływ podwyższonych temperatur na zmiany struktu-ralne w granitach strzelińskich. W: Geotechnika w Budownictwie i Górnictwie, Brząkała W., Butra J. i Gałczyński S. (red.), Oficyna Wyd. Polit. Wroc., Wrocław, s. 153-158.
• Nowakowski A., 1994. Stanowisko do badań wytrzymałościowych materiałów kruchych (w oparciu o prasę sztywną “INSTRON”). W: Mat. XXVI Międzyuczelnianej Konf. Metro-logów MKM’94, Opole - Jarnołtówek 20÷23 IX 1994, Zesz. Nauk. WSI w Opolu, nr 203, Elektryka z. 40, t. 1, s. 169-172.
• Nowakowski A., 2003. Zmiany niektórych właściwości mechanicznych granitu pod wpływem podwyższonej temperatury. W: Geotechnika w Budownictwie i Górnictwie, Brząkała W., Butra J. i Gałczyński S. (red.), Oficyna Wyd. Polit. Wroc., Wrocław, s. 159-167.
• Nowakowski A., Konečný P., 2002. Wpływ obciążeń termicznych na zmiany przepuszczalności próbek skał w trójosiowym stanie naprężenia. W: Geotechnika i budownictwo specjalne - mat. XXV Zimowej Szkoły Mechaniki Górotworu, Zakopane 18÷22 marca 2002, Wyd. Kat. Geomech. Bud. i Geotech. AGH, Kraków, s. 537-544.
• Nowakowski A., Młynarczuk M., Ratajczak T., Gustkiewicz J., 2003. Wpływ warunków termicznych na zmianę niektórych właściwości fizycznych i strukturalnych wybranych skał. Prace Instytutu Mechanik Górotworu PAN, Rozprawy, monografie, t. 5, Kraków, 106 s.
• Nurkowski J., 1998. Indukcyjny przetwornik odkształcenia w układzie różnicowym. Krajowy Kongres Metrologii KKM’98, Gdańsk, s. 223-230.
• Pells P.J.N., 1993. Uniaxial Strength Testing. In: “Comprehensive Rock Engineering, Vol. 3 - Rock Testing and Site Characterization”, Hudson J.A. (ed.), Pergamon Press, Oxford, United Kingdom.
• Pinińska J., 1980a. Właściwości fizyczno-mechaniczne piaskowców krośnieńskich z uwzględnieniem wpływu temperatury (praca hab.). Biuletyn Inst. Geol., t. IX, Warszawa.
• Pinińska J., 1980b. Właściwości fizyczno-mechaniczne piaskowców krośnieńskich w temperaturze 20÷888°C. Wyd. Inst. Geol., Z badań geologiczno-inżynierskich t. IX, Warszawa.
• Riekkola R, Salo J-P. 1999. Rock Engineering and Technical Design of the Finnish High Level Nulear Vaste Repository. ISRM News Journal, Vol. 6, No. 1., p. 11-17.
• Ryncarz T., 1993. Zarys fizyki górotworu. Śląskie Wyd. Tech., Katowice.
• Taufer A , Doležal L, Gálik D, 2010. Variations of rock temperature in Ostrava - Karviná coalfield. Arch. Min. Sci., vol. 55, no 1, p. 151-162.
• Voegele M.D., Brace W.F., 1985. Measurement of permeability in elevated stresses and temperatures. In: Measurement of rock properties at elevated pressures and temperatures, ASTM Special Technical Publication, Pincus H.J. & Hoskins E.R. (eds.), 869, 3-23.
• Walsh J.B., 1965. The effect of cracks on the compressibility of rock. J. Geoph. Res., 70, 381-389. 974.
• Wierzbicki M., Dutka B., 2010. The influence of temperature changes of the structurally de-formed coal-methane system on the total methane content, Arch. Min. Sci., vol. 55, no 3, p. 547-560.
• Wong T.F., Brace W.F., 1979. Thermal expansion of rocks: some measurements at high pressure. Tectonophysics, 57, 95-117.
• Żółcińska J., Dyrga L., 1996. Przepływy różnych gazów przez próbki węgla, Przegląd Górni-czy, 3, 36-41.
• Żółcińska J., Dyrga L. 2003. The effect of temperature on their permeability to gas flow on non-stressed rock. Arch. Min. Sci., Vol. 48, No 3.