5 Bubrenje i Trosenje Rev1 Vrkljan

Ivan Vrkljan

5 Bubrenje i trošenje stijena

Bubrenje stijena i tla je specifičan geotehnički fenomen koji može biti vrlo koristan ali isto tako može prouzročiti brojne probleme tijekom građenja i

eksploatacije geotehničkih građevina. Bubriva tla i stijene su odličan izolacijski materijal kod skladištenja nuklearnog i konvencionalnog otpada.

Međutim, bubriva stijena može prouzročiti brojne probleme pri iskopu podzemnih građevina i temeljenju građevina. Opisani su mehanizmi

bubrenja kao i stijene koje imaju potencijal bubrenja. Kako je bubrenje jedan od fenomena koji dovode do trošenju stijena, opisan je i fenomen

trošenja. Trošenje stijena stvara značajne problema u inženjerskoj praksi, bez obzira gradi li se od ovakvog materijala ili se gradi u/ili na njemu.

Inženjerska mehanika stijena 2

5 Bubrenje i trošenje stijena

5.1 Uvod.................................................................................................................................3 5.2 Bubrenje stijena .................................................................................................................4

5.2.1 Mehanizmi bubrenja ......................................................................................................4 5.2.1.1 Mehaničko bubrenje...............................................................................................4 5.2.1.2 Osmotsko bubrenje ................................................................................................5 5.2.1.3 Intrakristalno bubrenje ...........................................................................................6 5.2.1.4 Hidratacija...........................................................................................................13 5.2.1.5 Ostali mehanizmi bubrenja ...................................................................................15

5.2.2 Stijene sklone bubrenju ................................................................................................15 5.2.2.1 Bubrenje glinovitih stijena (argillaceous rocks)......................................................16 5.2.2.2 Bubrenje anhidrita ...............................................................................................17 5.2.2.3 Bubrenje mješanih stijena.....................................................................................17 5.2.2.4 Bubrenje šejla izazvano oksidacijom pirita ............................................................18

5.3 Trošenje stijena................................................................................................................18 5.3.1 Mehanizmi trošenja stijena ...........................................................................................18 5.3.2 Klasifikacija i identifikacija stijena u odnosu na trajnost .................................................20

5.3.2.1 Oviston i Geodurability klasifikacija .....................................................................20 5.3.2.2 “Deere - Gamble durability – plasticity” klasifikacija .............................................24 5.3.2.3 Klasifikacija šejla (shale rating system) .................................................................24

5.4 Rječnik ...........................................................................................................................25 5.5 Literatura ........................................................................................................................25

5 Bubrenje i trošenje stijena 3

5.1 Uvod Stijena se u inženjerskoj praksi uglavnom koristi na dva načina: (a) kao materijal u kome se gradi (tuneli, zasjeci, temeljenje); (b) kao materijal od koga se grade neki objekti (nasipi, potporni zidovi, zgrade i sl.). Jedan od najvažnijih problema koji se postavlja pred projektanta je pitanje stabilnosti fizikalnih i mehaničkih svojstava stijene tijekom izgradnje i eksploatacije objekta. Kod klasičnih inženjerskih zahvata, nestabilnost fizikalnih i mehaničkih svojstava obično je posljedica bubrenja i trošenja. Svako povećanje volumena naziva se bubrenje (engl. - swelling, francuski - gonflement, njemački - schwellen, quellen). S nekoliko definicija pokušat će se objasniti značenje tog izraza. Einstein (1975) definira bubrenje kao vremenski ovisno povećanje volumena prirodnog tla uzrokovano

promjenom naprezanja, povećanjem sadržaja vode ili kombinacijom obaju čimbenika. British Standards (BS 6100: Subsection 2.2.1: 1990) definiraju bubrenje kao povećanje volumena

kohezivnog materijala zbog apsorpcije vode ili naponskog reljefa. ISRM (1975) definira bubrenje ovako: Mineraloški sastav stijena je takav da apsorbiranje vode uzrokuje

mjerljivo povećanje volumena. Bubrenje može prouzročiti vrlo velike, vremenski ovisne sile na stijenski podgradni sustav ili može reducirati veličinu otvora.

Kovari, Amsted, Anagnostou (1988) opisuju bubrenje stijena ovako: Bubrenje je fenomen povećanja volumena stijena koje sadrže glinene minerale i anhidrit kada dođu u dodir s vodom.

Franklin i Dusseault (1989) definiraju bubrenje kao vremenski ovisnu volumetrijsku ekspanziju uzrokovanu fizikalno-kemijskom reakcijom s vodom.

ISRM (1983) bubrenje definira kao vremenski ovisno povećanje volumena uključujući fizikalno-kemijsku reakciju s vodom.

U literaturi se često pod pojmom bubrenja razumijevaju sve pojave povećanja volumena bez obzira na uzrok i mehanizam po kojemu se ono odvija. Tako se čak i povećanje volumena izazvano smrzavanjem ponekad svrstava pod fenomen bubrenja . Autori koji usvajaju tako široku definiciju bubrenja, kao posebnu kategoriju izdvajaju bubrenje u strogom smislu. Pod bubrenjem u strogom smislu razumijevaju povećanje volumena uzrokovano adsorpcijom ili apsorpcijom vode. Kada se govori o bubrenju kao pojavi koja uzrokuje probleme u inženjerskoj praksi, uobičajeno je da se pod tim pojmom razumijeva mjerljivo povećanje volumena uzrokovano djelovanjem vode na materijale u kojima ili na kojima se građevina gradi.


5.2 Bubrenje stijena Slika XXX Štete na zgradama i cestama kao posljedica bubrenja tla ili stijena Slika XXX Pod tunela najčešće trpi oštećenja uslijed bubrenja 5.2.1 Mehanizmi bubrenja 5.2.1.1 Mehaničko bubrenje Mehaničko bubrenje događa se u većini glina, siltitičnih glina, glinovitih siltita i drugih glinovitih stijena. To je inverzna konsolidacija izazvana disipacijom negativnih pornih tlakova. Na početku konsolidacije, porni tlakovi imaju neku pozitivnu vrijednost i tijekom vremena opadaju. Da bi se desilo mehaničko bubrenja, u stijeni moraju vladati negativni porni tlakovi prije potapanja u vodu.. Nakon potapanja stijene u vodu, dolazi do disipacije negativnih pornih tlakova, oni se povećavaju težeći atmosferskom tlaku. Zašto dolazi do pojave negativnih pornih tlakova? Tanki sloj na površini vode naziva se vlačna ovojnica (contractil skin). Molekule vode u vlačnoj ovojnici nisu uravnotežene za razliku od molekula u ostaloj vodi. Da bi vlačna ovojnica bila u ravnoteži, u njoj se generiraju vlačna naprezanja. Svojstvo vlačne ovojnice da preuzme vlačna naprezanja naziva se površinska tenzija (surface tension) i izražava se kao vlačna sila po jediničnoj dužini vlačne ovojnice (N/m). Zakrivljenost vlačne ovojnice naziva se meniskom.

Nesaturirana zona

Saturirana zona


U nesaturiranom tlu na vlačnu ovojnicu djeluje tlak zraka koji je veći od tlaka porne vode. Razlika tlakova u zraku iznad vlačne ovojnice i u vodi ispod vlačne ovojnice naziva se matrično sisanje (matric suction). Pri niskom stupnju saturacije, tlak porne vode može biti izrazito negativan te doseže vrijednosti do - 7 MPa (Fredlund i Rahardjo, 1993). Uz matrično sisanje, u nesaturiranom tlu djeluje i osmotsko sisanje. Ukupno sisanje dobije se superponiranjem obaju efekata. 5.2.1.2 Osmotsko bubrenje U suhoj glini, adsorbirani se kationi prisno drže na površini čestice gline zbog njenoga negativnog naboja. Za neutraliziranje negativnog naboja čestica gline potrebna je određena količina kationa dok su višak kationa i anioni istaloženi u obliku soli. Kada glina dospije u vodu, nataložena sol se otapa. Budući da je koncentracija kationa u otopini blizu površine čestice znatno veća (koncentraciju povećavaju adsorbirani kationi), postoji tendencija njihove difuzije radi izjednačivanja koncentracije. Međutim, njihova sloboda kretanja ograničena je negativnim električnim poljem na površini čestice. Te suprotne tendencije uzrokuju razdiobu kationa u blizini čestice gline kako to pokazuje slika 3.1. Negativna površina čestice gline i raspoređeni naboj u susjednoj fazi zajednički se nazivaju difuzni dvostruki sloj. Adsorpcija kationa od strane gline i tvorba dvostrukih slojeva odgovorne su za široki rang odbojnih sila između čestica gline. Kvantitativno predviđanje tih sila u nekim slučajevima je moguće i poznat je njihov udio u fenomenu bubrenja glina. Nekoliko teorija je bilo predloženo za opis distribucije iona u blizini nabijenih površina u koloidima. Gouy-Chapmanova teorija difuznoga dvostrukog sloja privukla je veliku pozornost i primjenjuje se na ponašanje glina s različitim stupnjem uspjeha (Mitchell, 1976; Gillott, 1987). Međutim, u prirodi se čestice gline nalaze u drukčijim uvjetima nego što su uvjeti koje pretpostavlja teorija. Većina proračuna podrazumijeva model paralelnih pločica u strukturi gline i zanemarene su veze između bridova i lica pločice. Gillott (1987) izvodi zaključak da ponašanje gline nije uskladivo s teorijom dvostrukog sloja ako se uzme u obzir koja bilo orijentacija minerala gline i paketa minerala glina i njihovih nakupina. Razlike osmotskog tlaka između čestica i onoga u uravnoteženoj otopini koja okružuje glinu je međučestični repulsivni tlak ili tlak bubrenja (Mitchell, 1976). Slika xxx Distribucija iona uz površinu čestice gline prema konceptu difuznoga dvostrukog sloja (Mitchell, 1976)

čestica gline

Kationi Anioni

Koncentracija iona

Dvostruki difuzni sloj

Uda

ljeno

st o

d č

estic

e


5.2.1.3 Intrakristalno bubrenje Mineralogija glina Minerali glina pripadaju skupini koja se naziva filosilikatima ili uslojenim silikatima (grčki phyllo znači ploča). Pored minerala glina, filosilikatima pripadaju i serpentin, pirofilit, talk, tinjci (liskuni) i kloriti, koji se također smatraju mineralima glina kada se pojave u česticama veličine gline (Mitchell, 1976). Da bi se razumjela struktura filosilikata (uslojenih silikata), potrebno je upoznati njihove osnovne strukturne elemente. Vrlo često se u literaturi koriste izrazi koji nemaju jednovrsno značenje. Osnovne ćelije (basic units ili basic structural units ili samo units) u strukturi minerala glina su: • silicijski tetraedar koji se sastoji od iona kisika i silicija • oktaedrijska ćelija u kojoj je aluminijski ili magnezijski ion, oktaedrijski koordiniran sa šest iona

kisika ili OH-skupinama •

Oktaedrijska osnovna ćelija Silicijska osnovna ćelija (silicijski tetraedar)

Slika XXX Silicijska i oktaedrijska osnovna ćelija Osnovne su ćelije međusobno povezane u tzv. listićavu strukturu (sheet structure), ili jednostavno listić (sheet). Treba razlikovati osnovnu ćeliju (basic unit) od elementarne ćelije (unit cell). Silicijski listić nastaje povezivanjem silicijskih tetraedara preko tri od ukupno četiri iona kisika u heksagonalnu mrežu. Osnove svih tetraedara su u jednoj ravnini (ravnini atoma), a svi vrhovi su jednako usmjereni. Oktaedrijski listić ili oktaedrijska struktura nastaje povezivanjem oktaedrijskih osnovnih ćelija. U oktaedrijskoj osnovnoj ćeliji pored kationa Al

3+ i Mg

2+ može se naći i neki drugi kation kao što su Fe

2+,

Fe3+

, Mn2+, Ni2+

itd. Ako je kation trivalentan, tada je samo dvije trećine mogućih kationskih prostora normalno popunjeno i struktura se naziva dioktaedrijska. Ako je to aluminijski kation, dobije se mineral gibsit - Al2(OH)6. Kad se nađe u strukturi minerala gline, aluminijski oktaedrijski listić često se naziva gibsit listić. Ako je kation u oktaedrijskoj ćeliji dvovalentan, tada su sve moguće kationske strane normalno popunjene i struktura se naziva trioktaedrijska. U slučaju da je to magnezijski kation, dobije se mineral BRUCIT - Mg3(OH)6. Ako se nađe u strukturi minerala glina, magnezijski oktaedrijski listić često se naziva brucit listić. Radi jednostavnijeg predstavljanja strukture filosilikata, uobičajeno je simboličko označivanje listića:

Aluminij, magnezij

Kisik ili OH skupina Kisik Silicij


Silicijski listić

Oktaedrijski listić

Gibsit listić

Brucit listić

Slika XXXX Uobičajeno simboličko označivanje listića Više listića, naslagani jedan na drugi, stvaraju sloj. Različite kombinacije listića u jednom sloju daju različite minerale glina. Ako se spoje silicijski listić i gibsit listić, dobiva se sloj minerala gline koji se naziva kaolinit. Na taj način definiran je sloj kao strukturni oblik koji ima sva obilježja nekog minerala. Više slojeva naslaganih jedan na drugi daju nakupinu (stack). Debljina nakupine je zapravo debljina kristala. Predočene strukture filosilikata su idealizirane strukture prirodnih minerala. Međutim, u prirodi se nalaze minerali s brojnim nepravilnostima. Među ostalim nepravilnostima, ukazat će se na pojavu razdvajanja slojeva s drugim tzv. međuslojnim materijalima kao što su: kationi, hidratizirani kationi, molekule organskog podrijetla, hidroksidne oktaedrijske skupine i listići (Nom. Com. of the Clay Min. Soc., 1967; Mitchell, 1976). Veze između listića i slojeva Kod minerala glina, ravnina atoma (plane of atoms) između tetraedrijskog i oktaedrijskog listića obično je zajednička. Zbog toga su veze između listića vrlo čvrste. Za razliku od veza između listića, veze između slojeva mogu biti vrlo slabe. Zbog slabih međuslojnih veza fizikalno i kemijsko ponašanje gline može ovisiti o promjenama uvjeta u okolišu. Pojam izomorfna supstitucija često se spominje kada je riječ o mineralogiji glina. Što je zapravo izomorfna supstitucija? Supstitucija iona jednog s ionima drugog tipa s istom ili drukčijom valentnosti, ali uz zadržavanje iste kristalne strukture naziva se izomorfna supstitucija (Mitchell, 1976). Termin supstitucija može unijeti zabunu jer implicira istodobnu zamjenu kationa jednog tipa kationom drugog tipa. Zapravo, zamijenjeni kation nije nikada ni bio tamo nego je drugi zauzeo svoje mjesto u vrijeme stvaranja minerala. U idealnom silicijskom listiću svi tetraedri sadrže silicij. U idealnom brucit listiću svi oktaedri sadrže magnezij dok idealni gibsit listić ima sve oktaedre ispunjene aluminijskim kationima. Međutim, u prirodi se nalaze gline kod kojih neki od tetraedara i oktaedara sadrže katione drugog tipa u odnosu na idealne strukture. Uobičajeni slučajevi su zamjena silicija aluminijem, aluminija magnezijem i magnezija željezom. Izomorfna supstitucija u svim mineralima glina, s mogućom iznimkom kaolinita, daje glinenim česticama negativni naboj (Mitchell, 1976). Izomorfna supstitucija se pojavljuje tijekom stvaranja minerala u nedostatku iona za stvaranje idealnih struktura (Lambe, 1979). Zamjenom Si

4+ iona u tetraedrima silicijskog listića Al

3+ ionima dogodile su se dvije stvari (Lambe, 1979): • čestica je dobila negativni naboj zbog manjka jedne valencije

G

B


• pojavilo se lagano poremećenje kristalne rešetke budući da ioni aluminija i silicija nemaju identičnu veličinu.

Treba razlikovati katione koji sudjeluju u izomorfnoj supstituciji od tzv. izmjenjivih kationa (exchangable cations). Izomorfna supstitucija svim mineralima glina, s mogućom iznimkom kaolinita, daje mrežu negativnog naboja. Zbog toga su čestice gline okružene čvrsto privučenim slojem vode. Međutim, budući da dipolarne molekule vode ne zadovoljavaju elektrostatsku ravnotežu, na površini čestice gline dolazi do adsorpcije i nekih kationa kovina (metala) (Bell, 1981). Kod nekih glina (skupina smektita), pored adsorpcije kationa na površinama i bridovima čestica, oni mogu prodrijeti i između slojeva jedne čestice. Ti se kationi nazivaju izmjenjivi kationi budući da u najvećem broju primjera kationi jednog tipa mogu biti zamijenjeni kationima drugog tipa. Količina izmjenjivih kationa potrebna da uravnoteži deficit naboja gline nazvana je kapacitet izmjene iona i obično se izražava u miliekvivalentima po 100 grama suhe gline. Pod određenim okolnostima u okolišu (temperatura, tlak, pH, ukupna elektrolitska koncentracija), glina adsorbira katione s fiksnim ukupnim nabojem. Reakcija izmjene uključuje izmjenu tih iona sa skupinom različitih iona koji imaju isti ukupni naboj. Izmjena iona jednog tipa ionima drugog tipa ne djeluje na strukturu glinenih čestica. Brzina izmjene iona ovisi o tipu gline, koncentraciji otopine, temperaturi i nekim drugim čimbenicima. Kod kaolinita izmjena je gotovo trenutačna. Kod ilita izmjena traje nekoliko sati budući da zamjena jednoga manjeg broja kationa može biti i između slojeva. Kod smektita je vrijeme izmjene dugo jer je glavni dio kapaciteta izmjene lociran između slojeva. Izmjena iona obično se događa u vodenom okolišu. Međutim, glina može uzeti ione i iz malih koncentracija u otopinama prilično neotopivih supstancija, reakcijama izmjene i adsorpcije čak i kad je prisutno malo vode (Mitchell, 1976). Tip adsorbiranih kationa utječe na ponašanje tla, i to tako da kationi veće valentnosti poboljšavaju svojstva. Na primjer, montmorilonit s kationima natrija (natrijski montmorilonit) odlikuje se visokom apsorpcijom i znatnim bubrenjem . Ako se "Na" kationi zamijene s "Ca" kationima koji imaju veću valentnost, svojstvo bubrenja se znatno reducira. Klasifikacija minerala glina Klasifikacija minerala glina obično se obavlja prema strukturi kristala te prema slijedu slaganja slojeva i stupnju pravilnosti slaganja. Prema tim kriterijima, Komitet za nomenklaturu Udruženja za glinene minerale (1968) (Nomenclature Committee of the Clay Minerals Society), preporučio je klasifikaciju filosilikata koja se odnosi na minerale glina (tablica 2.1). Minerali su podijeljeni na tipove, skupine i podskupine. • Tip označuje broj listića u jednom sloju. Od broja listića zavisi i debljina sloja. Tako dvoslojni

minerali (tip 1:1) imaju sloj debljine oko 7 Å a troslojni (tip 2:1) oko 10 Å. Kod klorita (tip 2:1:1) debljina sloja je oko 14 Å pa se ti minerali nekada nazivaju "14 Å minerali". Veličina osnovnog razmaka se lako utvrđuje pomoću rendgenske difrakcijske analize, i to je najvažniji kriterij koji se koristi za klasifikaciju uslojenih silikata u tipove. Pri tome međuslojni prostor mora biti prazan.

• Pojedini tipovi filosilikata podijeljeni su u skupine na osnovi naboja slojeva. Ondje gdje postoji potpuna ravnoteža pozitivnih i negativnih sila unutar listića naboj je nula i slojevi se drže zajedno ili pomoću van der Waalsovih sila (pirofilit, talk) ili pomoću vodikovih veza (kaolinit). Mreža negativnog naboja rezultat je neuravnoteženih izomorfnih supstitucija u slojevima. Osim kod klorita, negativni naboj se neutralizira pomoću kationa u međuslojnim položajima.

• Distribucija kationa unutar oktaedrijskog listića koristi se kao osnovica za podjelu skupina u podskupine (dioktaedrijska struktura u slučaju trovalentnog aluminija i trioktaedrijska u slučaju divalentnoga kationa kao što je magnezij). Svaka podskupina sadrži određen broj minerala. Podjela podskupine na minerale rezultat je izomorfnih supstitucija i razlika u aranžiranju listića u nakupinama (Gillott, 1987).


Minerali smektitske skupine U smektitskoj skupini nalaze se i minerali koji su osnovni uzročnici bubrenja u strogom smislu. U prirodi se najčešće sreću aluminijski dioktaedrijski smektiti (montmorilonit). Najveće nakupine toga minerala nalaze se u bentonitima. Često se miješaju pojmovi montmorilonit i bentonit. Bentonit je stijena (mješavina minerala), a montmorilonit je mineral. Montmoriloniti kao minerali glina pokazuju znatne kemijske i morfološke razlike, ovisno o mjestu pojavljivanja. Svaki od varijeteta montmorilonita može pokazati različitu fizikalnu i termalnu stabilnost uglavnom zbog kemijskih, morfološih i teksturnih razlika. Hidrotermalna stabilnost smektita varira od 50°C do 850°C. Trioktaedrijski magnezijski smektiti su stabilniji od dioktaedrijskih aluminijskih. Smektiti bogati željezom mnogo se lakše alteriraju i termalno su manje stabilni od magnezijskih i aluminijskih. Sintetički fluorhektorit je vjerojatno najstabilniji smektit. On zadržava strukturni integritet i sposobnost bubrenja čak pri 850°C. Slojevi su naslagani jedan na drugi u "C" pravcu. Veze između slojeva su ostvarene preko van der Waalsovih sila i preko kationa koji su prisutni radi uravnoteženja nedostatka naboja u strukturi. Te su veze slabe i lako se kidaju kod adsorpcije vode ili drugih polarnih tekućina. Osnovni razmak u "C" pravcu (basal spacing) varira ovisno o količini vode i organskih tekućina koje mogu penetrirati između slojeva. Tablica XXX Klasifikacija filosilikata (Nomenclature Committee of the Clay Minerals Society, 1968)

Tip Skupina Podskupina Mineral Simbol Debljina sloja

1:1 Kaolinitsko -serpentinska Kaoliniti-serpentini Kaolinit, haloazit

Pirofilitska Pirofiliti Talkovi

Pirofilit Talk

7 Å

Smektitska ili montmorilonitsko saponitska

Dioktaedrijski vermikuliti ili montmoriloniti Trioktaedrijski smektiti ili saponiti

Montmoriloniti Saponit, hektorit

2:1

Vermikulitska Dioktaedrijski vermikuliti Trioktaedrijski vermikuliti

Dioktaedrijski vermikulit Trioktaedrijski vermikuliti

Tinjci (liskuni) Dioktaedrijski tinjci Trioktaedrijski tinjci

Muskovit, paragonit Biotit

Krti tinjci Dioktaedrijski krti tinjci Trioktaedrijski krti tinjci

Margarit Klintonit

10 Å

2:1:1 Kloriti Dioktaedrijski kloriti Trioktaedrijski kloriti

Penin, klinoklor, Proklorit

14 Å

Česte su zamjene aluminija i silicija, unutar kristalne strukture, drugim kationima. Aluminij u oktaedrijskom listiću može biti zamijenjen magnezijem, željezom, cinkom, niklom, litijem i drugim kationima. Aluminij može zamijeniti do 15% silicijskih iona u tetraedrijskom listiću. Nedostatak naboja, koji je posljedica izomorfne supstitucije, uravnotežuje se s izmjenjivim kationima koji ulaze između slojeva i na površinu čestice. Negativni naboj može biti lociran u tetraedrijskom ili oktaedrijskom listiću. Ukupan negativan naboj po jediničnoj površini manji je nego kod tinjca tako da je i koncentracija međuslojnih kationa manja. Kada se međuslojni kation zamijeni kalijem, montmorilonit po sastavu sliči ilitu ali ne gubi mogućnost da primi vodu između slojeva. Zašto? Kod montmorilonita najveći dio negativnog naboja je u oktaedrijskom listiću, dok je kod ilita većina negativnog naboja blizu površina tetraedrijskog listića. Zbog toga je kod


montmorilonita negativni naboj na većoj udaljenosti od uravnotežujućega pozitivnog naboja koji je u oba slučaja u međuslojnim kationima. Zbog toga su međuslojne veze kod montmorilonita slabije od onih kod ilita. Smektitski minerali pokazuju visok kapacitet izmjene kationa (80-150 meq/100 g) zbog velikog iznosa neuravnoteženih zamjena. Montmorilonit se obično nalazi u obliku tankog filma. Debljina čestice (kristala) varira od 10 A0 (debljina elementarne ćelije odnosno debljina sloja) do oko 1/100 širine čestice. Dulja os čestice može biti do nekoliko mikrometara, ali je obično manja od 1 do 2 µm. Specifična površina smektita je ekstremno velika. Primarna površina (površina čestice u koju nisu uključene međuslojne površine) iznosi od 50 do 120 m2/g. Sekundarna specifična površina, koja nastaje ekspandiranjem kristalne rešetke tako da porni fluid može penetrirati između slojeva, može iznositi od 700 do 840 m2/g (Mitchell, 1976). Montmorilonit u dispergiranom stanju može ispucati u pločaste čestice debljine elementarne ćelije od 10 Å. Smektiti kristaliziraju kao tanke pločice, veliki i fleksibilni filmovi, letvice, vrpce. Ti kristali pojavljuju se kao agregati različite teksture: uslojeni agregati tankih filmova, kompaktni agregati pločica, hrpa mahovine i fino granulirani (kuglasti) aglomerati. Aluminijski dioktaedrijski smektiti (montmoriloniti) najčešće se sreću u prirodi. Elementi strukture glina bitni za objašnjenje fenomena bubrenja • Svi minerali koji pokazuju svojstva bubrenja pojavljuju se u prirodi u kristalnoj formi. Kristali imaju

pločastu morfologiju što je posljedica unutarnjeg uređenja atoma (tzv. - listićava struktura). • Listići su pločaste tvorevine koje sadrže uredno spojene tetraedrijske ili oktaedrijske osnovne ćelije

(basic units), u jednoj ravnini •

Slika XXX Simbolički prikaz listića u strukturi glina • Više listića naslagani jedan na drugi čine sloj.

Slika XXX Simbolički prikaz slojeva u strukturi glina

Tetraedrijski listić (silicijski)

Oktaedrijski listić

Tip minerala

10 Å

2:1

7 Å

1:1

14 Å

3:1


• Slojevi naslagani jedan na drugi tvore pločicu kristala.

Slika XXX Simbolički prikaz kristala u strukturi glina • Zbog izomorfnih supstitucija u vrijeme oblikovanja kristala, svi kristali glina imaju uglavnom

negativni naboj (bridovi su katkad s pozitivnim nabojem). Ta pojava uzrokuje privlačenje kationa i vode, i to: (a) na vanjske površine kristala i bridove, kada su međuslojne veze dostatno jake da ne dopuste ulazak vode i kationa između slojeva; (b) na vanjske površine kristala kao i prostor između slojeva, zbog slabih međuslojnih veza (montmorilonit).

• Molekule vode obično su vezane s atomima kisika na površini sloja (ravnini atoma) vodikovim vezama.

• Kationi koji su privučeni na površinu kristala i između slojeva jednoga kristala nazivaju se izmjenjivi kationi budući da mogu biti lako zamijenjeni drugim kationima. Ti kationi ne smiju se pojmovno miješati s kationima koji sudjeluju u izomorfnoj supstituciji.

• Listiće u sloj povezuju jake veze koje ne dopuštaju njihovo razdvajanje niti ulazak tekućine (vode) i kationa između njih.

• Slojevi su međusobno povezani tzv. međuslojnim vezama koje su znatno slabije od veza između listića. Posljedice slabih veza između slojeva su: (a) klivaž, kada dolazi do smicanja između slojeva; (b) bubrenje, kada dolazi do razmicanja slojeva.

• Ako se između slojeva montmorilonita kao izmjenjivi kationi nalaze kationi natrija, nastaje tzv. natrijski montmorilonit koji je poznat kao mineral s najvećim kapacitetom bubrenja. Ako Ca kationi istisnu Na katione između slojeva montmorilonita, nastaje tzv. kalcijski montmorilonit koji ima znatno slabiji kapacitet bubrenja. Vrijedi i obrnuto.

• Debljina sloja je stalna, a veličina osnovnog razmaka mijenja se ovisno o vrsti i količini tvari koja prodre u međuslojni prostor. Kod montmorilonita osnovni razmak može biti jednak debljini sloja (10 Å). S povećanjem količine vode može se pojaviti potpuno razdvajanje slojeva.

Slika XXX Posljedica slabih međuslojnih veza u strukturi glina

7 Å Debljina pločice kristala

Voda

Voda

Klivaž Bubernje


Mehanizam intrakristalnog bubrenja Intrakristalno bubrenje je povećanje volumena izazvano penetracijom vode između slojeva kristala. Slabe međuslojne veze omogućuju vodi da zajedno s izmjenjivim kationima prodre između slojeva. Po tom modelu najjače bubre montmorilonit i vermikulit, a nešto slabije haloazit, bubrivi kloriti i neki miješanoslojni minerali. Glavni uzročnik bubrenja su slabe međuslojne veze. Nije bitno koja je priroda veza, bitna je samo njihova jačina. Intenzitet bubrenja ovisi o tipu izmjenjivih kationa koji se nalaze između slojeva, tipu organske komponente koja je inkorporirana u glini (veza između čestica), kao i o kemizmu porne vode. Slika XXX Intrarkristalno bubrenje Kaolinit ima najmanji kapacitet bubrenja, i uglavnom je to u potpunosti interkristalno bubrenje. Slobodno bubrenje montmorilonita u kojemu je natrij glavni izmjenjivi ion može doseći i 2000 %. Međutim, kalcijski montmorilonit (izmjenjivi kation je kalcij) slobodno bubri samo 100% . Svaka čestica tla ima stanovit električni naboj koji je posljedica jednog ili kombinacije sljedećih čimbenika (Lambe, 1979): 1. izomorfne supstitucije, 2. površinskog razdruživanja hidroksilnih iona, 3. odsutnosti kationa u kristalnoj rešetki, 4. adsorpcije aniona, 5. prisutnosti organskih tvari. Od tih pet čimbenika najvažnija je izomorfna supstitucija. Naboj kristalne rešetke uvelike utječe na bubrenje različitih minerala. Najveća ekspanzija je primijećena za deficit naboja oko jedan po elementarnoj ćeliji. Međutim, ne postoji konzistentan odnos između naboja, mjerenoga kapacitetom izmjene kationa i iznosa bubrenja (Mitchell, 1976). Intenzitet naboja po jediničnoj površini utječe na jačinu međuslojnih veza. Jake međuslojne veze kod ilita, u odnosu na montmorilonit, mogu se pripisati njegovom većem naboju po jediničnoj površini. Međuslojne veze kod ilita su dostatno jake da ne dopuste penetraciju vode i drugih tekućina između slojeva kristala, što kod montmorilonita nije slučaj (Gillott, 1987). Treba se podsjetiti da ilit i montmorilonit imaju sličnu strukturu (oba minerala imaju sloj sastavljen od dvaju silicijskih i jednog oktaedrijskog listića).

Voda+kationi

10Å Sloj Listić

Pločica kristala

Osnovni razmak


Evo još jednog promišljanja o mogućim uzrocima bubrenja smektita i vermikulita: čestice glina smektitske skupine i vermikulit bubre dok čestice neglinenih minerala, pirofilita i talka ne bubre. Za to postoje dva moguća objašnjenja (Mitchell, 1976): • Međuslojni kationi u smektitima hidratiraju (što je kation manji i jače nabijen, i hidratacija je jača) i

energija hidratacije premašuje privlačne sile između slojeva. Kod pirofilita i talka nije bilo izomorfne supstitucije pa su ti listići neutralni (negativni naboj po elementarnoj ćeliji je nula). Kako nema negativnog naboja, nema ni izmjenjivih kationa između slojeva pa prema tomu ni bubrenja. To navodi na zaključak da hidratacija iona ima velik udio u početnom stadiju penetracije vode u glinene minerale (Gillott, 1987). Kod pirofilita i talka slojevi su povezani van der Waalsovim silama.

• Voda ne hidratizira katione nego se adsorbira na površinama vodikovim vezama (voda se veže za atome kisika i/ili OH skupine). Kod pirofilita i talka ne postoji bubrenje jer je površinska energija hidratacije suviše mala da svlada van der Waalsove sile koje su kod pirofilita i talka veće u odnosu na montmorilonit i vermikulit zbog malog razmaka između slojeva.

Zbog slabih veza između slojeva bubrivih glina, izmjenjivi kationi se ne skupljaju samo na površinama kristala nego ulaze i između slojeva. O utjecaju tih kationa na svojstva bubrenja zna se sljedeće: • Izmjenjivi kationi, napose kada su mali i visoko nabijeni, hidratiraju i okružuju se s anvelopom

orijentiranih molekula vode (Gillott, 1987). • Ca-montmorilonit (izmjenjivi kation je kalcij) obično uzima samo dva sloja vode dok Na-

montmorilonit usisava mnogo više vode. Poznato je da je kapacitet bubrenja natrijskog montmorilonita neusporedivo veći od kapaciteta bubrenja kalcijske varijante. Natrijski montmorilonit, kada prelazi u oblik gela, može povećati svoj volumen do 2000% dok kalcijska varijanta povećava volumen samo do 100% (Popescu, 1986; Bell, 1981).

• Pored Ca i Na izmjenjivih kationa, montmorilonit može sadržavati i K-katione. Kao izmjenjivi, mogu se pojaviti i veliki organski kationi (amini, alkoholi, glikoli, nitrati, proteini itd.) (Heinrich, 1965).

Da li je sva voda koju kristal veže na sebe posljedica hidratacije kationa? Vjerojatno ne. Prvih nekoliko monoslojeva vode posljedica su hidratacije kationa. Međutim, hidratacija iona vjerojatno izaziva poremećenje pravilnosti strukture vode, tako da izvan prvih nekoliko monoslojeva izgleda vjerojatnim da je privlačenje vode posljedica nekoga drugog mehanizma (Gillott, 1987). To može biti mehanizam osmotskog tipa. Prema tomu, privlačenje vode od minerala glina događa se u dva stadija, premda krivulja razdvajanja tih dvaju stanja nije oštra (Gillott, 1987): • Pri upijanju prvih nekoliko monoslojeva, najveću važnost ima kemijski efekt i efekt hidratacije iona. • Privlačenje vode s udaljenosti od površine većih od 10 Ao uključuje osmotski proces. Relativni doprinos ovih dvaju mehanizama ukupnom prijemu vode ostaje nejasan (Gillott, 1987). 5.2.1.4 Hidratacija Hidratacijom anhidrit prelazi u gips. Za razliku od minerala glina, mehanizam bubrenja anhidrita vrlo je jednostavan. Kalcijev sulfat javlja se u prirodi u tri kristalne modifikacije:

kao anhidrit CaSO4 kao gips CaSO4 * 2H2O kao basanit (poluhidrat)

Svaka modifikacija kalcijeva sulfata stabilna je u određenim uvjetima tlaka i temperature (slika 3.8). Kao što se vidi, u uvjetima koji vladaju blizu površine anhidrit nije stabilan. Međutim, on se može transformirati u stabilniji oblik (gips) jedino uz uvjet da bude izložen djelovanju vode.


Tijekom transformacije anhidrita u gips (hidratacija anhidrita), dvije molekule vode po molekuli CaSO4 transformiraju se u kristalnu vodu i vežu za CaSO4 molekulu, što inicira teorijsko povećanje volumena od 61% (Wittke i dr. 1979; Franklin i Dusseault, 1989). CaSO4 + 2H2O CaSO4 * 2H2O 46 cm3 + 36 cm3 74 cm

3

γ = 2,96 Mg/m3 γ = 2,32 Mg/m3

Slika XXX Modifikacije kalcijeva sulfata Transformacijom anhidrita u gips u prirodnim uvjetima, povećanje volumena je često veće od teoretskoga. Ta je pojava posljedica igličastog oblika kristala gipsa. Između pojedinačnih kristala gipsa ostaje znatna poroznost. Anhidrit ne može izravno prijeći u gips primanjem vode. Prethodno se mora otopiti u vodi i tek nakon toga iz vodene otopine se taloži (kristalizira) gips (Wichter, 1991; Madsen i Nüesch, 1991; Steiner i dr., 1992). Može li gips prijeći u oblik anhidrita? Može pri temperaturi 20 0C i tlaku 80 MPa. Na temperaturi višoj od 58 0C gips se može transformirati u anhidrit i pri atmosferskom tlaku (Steiner i dr., 1992). Dehidratacija anhidrita može uzrokovati skupljanje do 38,5% (Franklin i Dusseault, 1989). Anhidrit se u prirodi pojavljuje kao masivan ili je raspršen u nekoj drugoj stijeni (laporu, na primjer). Primijećeno je da masivan anhidrit manje bubri od lapora u kojemu je anhidrit raspršen. Razlog tomu može biti sljedeći: kod masivnog anhidrita gips koji se stvara na vanjskim površinama bloka usporava napredovanje procesa hidratacije u dubinu. Suprotno tomu, fino izdijeljeni anhidrit raspršen u laporu potpuno je izložen hidrataciji budući da lapor osigurava stalni dotok vode do svih čestica (Wittke i Pierau, 1979). Na temperaturi nižoj od 40 0C topivost gipsa u vodi je niža od topivosti anhidrita. Pri temperaturi 25 0C anhidrit se otapa do koncentracije 2,7 g CaSO4/l H2O, a gips do koncentracije 2 g CaSO4/l H2O. Kada se ta koncentracija dosegne, gips se kristalizira. Kakva je uloga anhidrita u bubrenju stijene koja pored anhidrita sadrži i bubrive minerale glina? Prema nekim mineralozima, anhidrit nema ni približno tako važnu ulogu pri bubrenju stijene kao što se ranije mislilo (rane sedamdesete). Premda je anhidrit označen kao uzročnik bubrenja miješanih stijena, tendencija je da se glinenim mineralima pripiše veći udio u bubrenju (korensit, montmorilonit, ilit). Neka ispitivanja pokazuju smanjenje potencijala bubrenja s povećanjem sadržaja anhidrita. Ta se tvrdnja ne smije generalizirati jer je obavljen mali broj pokusa, a nije bila poznata ni slojevitost uzoraka i distribucija anhidrita u njima (Kovari i dr., 1988). Ispitivanja su pokazala da kombinacija anhidrita i jako bubrivog

2200 300 100

500

1000

2000

1500

Temperatura 0C

Tlak (MPa)

GIPS

BASANIT

ANHIDRIT


minerala gline korensita usporava bubrenje anhidrita budući da korensit apsorbira većinu vode (Einstein, 1975, 1979). 5.2.1.5 Ostali mehanizmi bubrenja Pirit je sulfid željeza i u geološkim uvjetima može oksidirati u željezni sulfat i sumpornu kiselinu. Rezultirajuća kisela podzemna voda može izazvati transformaciju kalcijeva karbonata (npr. karbonatni fosili ili kalcit) u gips. Transformacijom kalcita u gips, povećava se početni volumen za približno 99%. ( 2FeS2 + 2H2O + 7O2 2FeSO4 + H2SO4 FeSO4 + 2H2O Fe(OH)2 + H2SO4 H2SO4 + CaCO3 + 2H2O CaSO4 * 2H2O + H2CO3 Prevođenjem sulfida (FeS2) u sulfat (FeSO4) povećava se volumen za oko 35%. Sumporna kiselina u tlu može reagirati i s drugim ionima, kao što su kalij i natrij u mineralima koji pripadaju skupini tinjaca pri čemu nastaju sekundarni sulfati kao što je jarosit. Tu transformaciju također prati povećanje volumena (Harper i dr., 1979; Bell, 1981). 5.2.2 Stijene sklone bubrenju Bubrenju su podložne slijedeće vrste stijena: • GLINOVITE STIJENE (argillaceaus rocks)

Po interkristalnom mehanizmu bubrenja (uglavnom zbog osmotskog fenomena), različitim intenzitetom bubre svi varijeteti ovih stijena. Po intrakristalnom mehanizmu bubrenja, bubre glinovite stijene koje sadrže minerale glina sposobne da bubre po ovom mehanizmu (montmorilonit, vermikulit, halojzit, korensit).

• MASIVNI ANHIDRIT Anhidrit hidratacijom prelazi u gips pri čemu se povećava volumen.

• MIJEŠANE STIJENE Vrlo često, glinovite stijene sadrže i raspršeni anhidrit. U ovom slučaju, bubrenje stijene je posljedica sva tri naprijed navedena mehanizma (intrakristalno i interkristalno bubrenje, te transformacija anhidrita u gips).

• STIJENE KOJE SADRŽE PIRIT I KALCIJEV KARBONAT Pirit oksidira u sumpornu kiselinu, a rezultirajuća kisela podzemna voda izaziva transformaciju kalcijeva karbonata u gips, što je praćeno povećanjem volumena.

Na intenzitet bubrenja neke stijene, pored mineraloškog sastava, bitan utjecaj imaju i cementne veze između pojedinih zrna. Cementacija (povezivanje mineralnih zrna) ograničava bubrenje iz dva razloga: povećava čvrstoću stijene, a također smanjuje površinu bubrivih minerala koja može primiti vlagu. (Gillot, 1987, p 190). Bell, navodi podatak da stijena s jednoosnom čvrstoćom preko 40 MPa ne bubri (Bell, 1979).


5.2.2.1 Bubrenje glinovitih stijena (argillaceous rocks) U najširem značenju, pod glinovitim stijenama se smatraju sve stijene koje u sebi sadrže minerale glina (vezani i nevezani varijeteti sitnozrnastih klastičnih sedimenata kao i njihovi metamorfni ekvivalenti (aržilit, slejt, šist, filit)). Laminirani varijeteti glinovitih nemetamorfnih stijena nazivaju se šejlovima. Šejlovi imaju gotovo identičan mineralni sastav kao i njihovi homogeni varijeteti, što znači da su i mahanizmi bubrenja kod obje skupine identični. Kod šejlova je jedino primijećeno jače bubrenje u pravcu okomitom na ravninu lamina iz više razloga. Evo nekih: (a) Ravnine lamina su vrlo često i ravnine niže čvrstoće što ima za posljedicu kalanje (cijepanje) ovih stijena; (b) Lamine su često posljedica paralelne orijentacije pločastih minerala što pogoduje intenzivnijem osmotskom bubrenju u pravcu okomitom na pločice minerala. Bubrenje šejlova Bubrenje šejla i lapora je u velikoj mjeri bubrenje minerala glina. (Einstein, 1975, p 187; Underwood, 1967, p 106). Mehanizam bubrenja šejla nije u potpunosti razumljiv. U posljednjih 30 godina mnogo se radilo na problemu bubrenja šejla. (Huang, 1986, p 371 (15)). Intenzitet bubrenja ovisi o: • zastupljenosti minerala glina (opada od montmorilonita ka ilitu i kaolinitu). • koncentraciji elektrolita tijekom sedimentacije (taloženje u slatkoj vodi daje gušće pakovanje čestica

nego u slučaju taloženja u morskoj vodi. Također je i bubrenje šejlova taloženih u morskoj vodi jače). • vezama između pojedinih čestica šejla. Starije formacije šejla s manje od 2% bubrivih minerala glina uglavnom sadrže slijedeće glinene minerale: klorit, ilit i kaolinit. Iako ovi šejlovi nisu klasificirani kao bubrivi, oni se kod sušenja i vlaženja skupljaju i šire. Ekspanzija je povezana s prodorom kapilarne vode u prsline (fissures) koje se zbog slabih veza otvaraju. Ako je pojedinačna čestica gline dobro cementirana s mineralom kao što je kalcit ili čak organska tvar, bubrenje je znatno reducirano. (Franklin, 1989, p 332). Smektiti se najčešće javljaju u geološki mlađim šejlovima i glinama. Rijetko se javljaju u sedimentima starijim od 200 mil. godina. Obično ih nema na dubinama većim od 3.500 m i u stijenama koje su duže vrijeme izložene temperaturi iznad 200°C. Sedimentne stijene starije od jure obično sadrže malo smektita. I u slučaju šejla, pucanje stijena uslijed miniranja omogućava lakši dotok vode i intenzivnije bubrenje. Bubrenje lapora Mehanizam bubrenja lapora vrlo je sličan mehanizmu bubrenja šejla (i ovdje su glavni uzročnici bubrenja, ekspandirajući minerali glina i anhidrit). Bubrenje bentonita Bentonit je visoko koloidalna ekspanzivna glina nastala alteracijom vulkanskog pepela i tufova. To je vrlo plastičan materijal i može imati granicu tečenja 500% i više. U prirodi se pojavljuje kao samostalan sloj, kao ispuna pukotina i rasjeda ili kao glavni sastojak nekih šejlova. Bentonit sadrži vrlo visok postotak montmorilonita - do 95%. Intenzivno bubrenje bentonita posljedica je bubrenja minerala iz grupe - smektita. Bubrenje stijena zahvaćenih procesom trošenja (Weathered rocks) i hidrotermalnom alteracijom Stijene zahvaćene trošenjem (weathering) su vrlo interesantne u inženjerskoj praksi pošto je izgradnja objekata u ili na takovim stijenama često povezana sa značajnim problemima. Tijekom procesa trošenja obično nastaju minerali glina na račun originalnih minerala. U zonama trošenja gdje otapanje alkalija i alkalne zemlje nije kompletno, često je prisutan montmorilonit ili mješanoslojni minerali koji sadrže montmorilonit. Obilje kaolinita, ilita, sercita ili fino granuliranog klorita također iniciraju bubrenje. Hidrotermalna alteracija stijena obično se dešava uz cirkulacione kanale, otvorene pukotine, rasjede i druge vrste međusobno povezanih kanala kao što su međuslojne plohe i sl. Alteracija koja proizvodi


bubrivo tlo karakterizira se premještanjem ili formiranjem na licu mjesta fino granuliranih agregata glinenih minerala uključujući i fino granulirano sericite i klorite. Silifikacija i karbonizacija, uobičajeni tipovi hidrotermalne alteracije, nastoje poboljšati kvalitetu stijene (smanjiti tendenciju bubrenja) procesom stvaranja kvarca i karbonata. Ispitivanja su pokazala da trošni dijelovi jedne stijene bubre slabije od svježih. Naravno, treba isključiti slučajeve kada kao produkti trošenja nastaju ekspanzivni minerali glina. 5.2.2.2 Bubrenje anhidrita Transformacijom anhidrita u gips, dolazi do povećanja početnog volumena za cca 60%. O mehanizmu bubrenja bilo je govora u poglavlju 3.4. Kakvi će efekti bubrenja biti u prirodnim uvjetima, ovisi o načinu pojavljivanja anhidrita. Anhidrit se u prirodi nalazi kao: • masivni, kada su čitavi blokovi izgrađeni uglavnom od anhidrita, • raspršen u drugim stijenama, slično kao što se glina pojavljuje u glinovitim stijenama (ove stijene

zovu se "miješane" i o njima se govoi u poglavlju 4.3) • ispuna diskontinuiteta drugih stijena. Masivni anhidrit izgleda ne bubri tako jako, pošto se transformacijom u gips, na njegovim granicama stvara gipsana prevlaka što presijeca tečenje vode i daljnje bubrenje. Ispitivanje masivnih anhidrida iz švicarskih Alpi (argovian jura) pokazala su da isti, hidratacijom povećava volumen od 0,2 do 0,5%, što je vrlo malo u poređenju s bubrenjem lapora i gline. Međutim, masivni anhidrit može značajno bubriti ako je intenzivno ispucao. Pri izgradnji podzemnih objekata klasičnim metodama (metode miniranja) redovno dolazi do pucanja stijene u zidovima, kaloti i podu tunela. Novonastale pukotine omogućavaju cirkulaciju vode koja izaziva proces hidratacije anhidrita. Efekti bubrenja svakog pojedinog bloka se superponiraju što može ugroziti stabilnost podzemnog otvora. Anhidrit raspršen u laporu i šejlu može izazvati značajna oštećenja objekata. Lapori izgleda osiguravaju stalan dotok vode do čestica anhidrita. Bubrenje čestica anhidrita uzrokuje pojavu prslina čime se olakšava protok vode kroz stijenu. Kakva je uloga anhidrita u stijeni koja sadrži minerale glina i fino razdijeljeni anhidrit? Prema nekim mineralozima, anhidrit ni približno ne igra tako značajnu ulogu kao što se ranije mislilo (rane sedamdesete). Premda je anhidrit označen kao uzročnik bubrenja "miješanih stijena" tendencija je da se glinenim mineralima pripiše veći udio u bubrenju (korensit, montmorilonit, ilit). Neka ispitivanja pokazuju smanjenje potencijala bubrenja s povećanjem sadržaja anhidrita. Ova konstatacija se ne smije generalizirati pošto je obavljen mali broj pokusa, a također nije bila poznata slojevitost uzorka i distribucija anhidrita u njima (Kovari i dr., 1988). Ispitivanja su pokazala da kombinacija anhidrita i jako bubrivog minerala gline korensita usporava bubrenje anhidrita pošto korensit absorbira veću količinu vode. Anhidrit u žilicama lapora debljine od nekoliko milimetara do nekoliko centimetara izazvat će značajne probleme bubrenje ako je lapor gusto ispresijecan žilicama. Lapor omogućava dotok vode do žilica anhidrita i tada počinje proces hidratacije. Ispitivanja na terenu su pokazala da je hidratacija anhidrita obično ograničena na tanki sloj kontakta s laporom. Einstein upozorava da je za definitivne zaključke o bubrivim svojstvima anhidrita potrebno daljnje praćenje ovog fenomena u različitim tipovima anhidritičnih stijena. 5.2.2.3 Bubrenje miješanih stijena


Šejlovi koji sadrže anhidrit, česti su uzročnici značajnih problema u tunelogradnji. Fenomen bubrenja vrlo je izražen u stijenama mezazoika (jura i trijas) u istočnoj Francuskoj, jugozapadnom dijelu Njemačke i sjeverozapadnom dijelu Švicarske. Od sulfatnih stijena u Švicarskoj, problemi bubrenja su najizraženiji u glineno-sulfatnim stijenama trijasa - "Gipskeuper" i "Anhydritgruppe" – formacijama. Pored ovih, bubrenje pokazuju lapori tercijara koji sadrže minerale smektitske grupe (molasse) i "opalinum" šejl jurske starosti s mješanoslojnim mineralima iliti/smektiti. "Gipskeuper" je mješavina lapora, anhidrita i gipsa. Ova stijena ima vrlo izražena svojstva bubrenja. Međutim, lapori koji imaju sličan sastav, osim što je izostala sulfatna komponenta, pokazuje također značajna svojstva bubrenja što može ukazati na slabiji utjecaj sulfatne komponente (anhidrit). Bubrenje miješanih stijena dugotrajan je proces Dugotrajnost bubrenja svakako se može pripisati procesu transformacije anhidrita u gips. Naime, transformacija anhidrita u gips je mnogo sporiji proces od procesa bubrenja glinenih minerala (u nekim tunelima izvedenim u anhidritičnim stijenama proces bubrenja traje preko 100 godina). 5.2.2.4 Bubrenje šejla izazvano oksidacijom pirita Ako se u sastavu šejla nađe pirit, onda šejl može bubriti po naprijed opisanom mehanizmu. Penner i dr. navode slučaj izdizanja poda jedne trokatnice sagrađene na crnom šejlu ordovicijske starosti. Maksimalno izdizanje bilo je 107 mm (približno 2 mm/mjesec). Istraživanja su pokazala da je šejl do dubine od 0,7 do 1 m bio alteriran. Ispod ove zone nealterirani šejl sadržavao je brojne žilice pirita. Mjerenjem je ustanovljena vrijednost pH od 2,8 do 4,4 na osnovi čega je zaključeno da je alteracija šejla rezultat biokemijskog trošenja (weathering-a) koje izazivaju bakterije (autotrophic bacteria). Izdizanje je spriječeno stvaranjem uvjeta nepovoljnih za razvoj bakterija. Neutraliziranje alterirane zone učinjeno je uvođenjem otopine kalijevog hidroksida u istražne raskope. Nivo vode je održavan visoko tako da je kiselina mogla biti isprana a također je reduciran i dolazak zraka. 5.3 Trošenje stijena Trošenje može u potpunosti promijeniti ponašanje stijene (od stijene može nastati tlo). Što se smatra pod trošenjem? Pod trošenjem se podrazumijeva dezintegracija stijena u uvjetima cikličkog vlaženja i sušenja ili u uvjetima promjene vlažnosti okoliša (zraka) tijekom izgradnje i eksploatacije objekta. . Bitno je primijetiti, da se ovaj proces trošenja dešava u vrlo kratkom periodu (vijek trajanja objekta) i ne treba ga miješati s trošenjem stijena u geološkom smislu. Međutim, razvoj tehnologije nameće nove zahtjeve po pitanju stabilnosti prirodnih materijala. Na primjer, kontejneri s radioaktivnim otpadom mogu imati temperaturu do 300°C što pred izolacijski materijal (bentonit) postavlja zahtjev mineraloške i drugih stabilnosti tijekom tisuća godina. Franklin i Dusseault (1989) daju nešto širu definiciju: Trošnost (weatherability) je mjera podložnosti stijene oslabljenju (weakening) ili dezintegraciji za vrijeme trajanja inženjerskog objekta (suprotno značenje ima termin - trajnost (durability)). Gotovo redovno neki od oblika bubrenja, bar djelomično, sudjeluju u procesu trošenja. Ponekad je bubrenje glavni generator trošenja stijena. 5.3.1 Mehanizmi trošenja stijena Sve stijene su više ili manje podložne utjecaju vlaženja i sušenja. Stijene, kao što su svježi graniti ili dobro cementirani kvarcni pješčenjaci su trajni (durable) pošto se neće dezintegrirati nakon mnogo ciklusa vlaženja i sušenja. Međutim, mnoge stijene koje sadrža minerale glina (mudrock, šejlovi, lapori,


neke magmatske stijene zahvaćene trošenjem) i/ili anhidrit, bubrit će ili će se dezintegrirati kada budu izloženi atmosferskim ciklusima vlaženja i sušenja. Kada se govori o trajnosti stijene, treba voditi računa o svrsi zbog koje se procjena vrši. Naime, jedna vrsta stijene može se procijeniti kao vrlo trajna ili vrlo trošna ovisno o svrsi upotrebe. Na primjer, vapnenac može biti izvanredno trajan u uvjetima iskopa tunela ili pokosa, a istovremeno da bude ocijenjen kao vrlo trošan ako se od njega kane rezati ploče za oblaganje zgrada. Dakle, stijena koja ima visok indeks trajnosti (durability index) u geotehničkim problemima može imati visok indeks trošnosti (weatherability index) u problemima druge vrste. Kada se govori o trošenju sitnozrnastih klastičnih sedimenata treba razlikovati: (modificirano Olivier, 1979a) • Trošenje stijena koje sadrže značajnu količinu minerala sposobnih da bubre po mehanizmu

intrakristalnog bubrenja (bubrivi minerali glina). Taylor i Spears ovo trošenje nazivaju - kratkotrajnim kemijskim trošenjem.

• Trošenje stijena koje ne sadrže bubrive minerale glina uglavnom je posljedica: (a) raspucavanja (Slaking or air breakage); (b) interkristalnog bubrenja. Kod interkristalnog bubrenja najznačajniji je fenomen osmotskog bubrenja.

• Trošenje stijena koje sadrže značajne količine lako topivih minerala (halit, gips i sl.) Mehanizmi bubrenja opisani su u prvom dijelu ovog poglavlja. Otapanje lako topivih minerala je jednostavan proces i ne zahtjeva posebno pojašnjenje. Preostaje da se objasni fenomen raspucavanja (slaking). Što se podrazumijeva pod raspucavanjem stijena? Na proces trošenja kompaktiranih i slabo cementiranih tipova stijena, vrlo vjerojatno najveći utjecaj ima nereverzibilni fizikalni proces tzv. raspucavanje (slaking or air breakage). Za vrijeme sušenja stijene, većina pora se ispuni zrakom. Kod naglog potapanja u vodu, tlak zraka u porama se povećava uslijed djelovanja kapilarnog tlaka koji se razvija u vanjskim porama. Povećanje tlaka zraka uzrokuje lom mineralnog skeleta uzduž najslabijih ploha čime je omogućen nastavak istog procesa. Prema Van Eackhout-u, raspucavanje "mudrock"-a koji ne sadrži značajne količine bubrivih minerala glina direktno je povezan s kapilarnim djelovanjem. Zbog toga je veličina pora mnogo značajniji faktor nego volumen pora (kapilarni tlak je obrnuto proporcionalan s radijusom pora). Proces raspucavanja može biti iniciran i promjenom vlažnosti zraka ali ne manjom od 35% ). Pojavljivanje mikropukotina (uglavnom kao rezultat sušenja na zraku) dodatni je faktor koji kontrolira proces "slaking"-a kompaktiranih i slabo cementiranih tipova stijena. Ove strukturne promjene povećavaju kapilarnost stijenskog materijala što za posljedicu ima povećanu absorbciju vode i potencijala slobodnog "bubrenja" (Olivier, 1979). Proučavajući Beaufort mudrock (Karoo serija) koji ne sadrže značajne količine bubrivih minerala, Olivier (1979a) je primijetio da na proces trošenja najveći utjecaj vjerojatno imaju teksturni parametri kao što su: stupanj kompakcije čestica stijene, stupanj mikrofrakturiranja (uglavnom kao rezultat sušenja na zraku) i prisustvo početnih mikrodiskontinuiteta. Ovi parametri su u tijesnoj vezi s bubrenjem/skupljanjem stijene kada je ona izložena vlaženju i sušenju te tako postaju relevantni faktori raspucavanja. Ovo je vjerojatno najvažniji mehanizam po kome se odvija vremenski ovisno trošenje ove vrste stijena. Vlaženje stijene može biti posljedica prisustva vlage u zraku ili rezultat direktnog vlaženja (korištenje vode tijekom bušenja ili za obaranje prašine iz zraka). Olivier (1979a) je istraživao utjecaj mineralogije na trošenje ilitom bogatog donje trijaskog mudrocka (Beaufort mudrock Karoo serije). Došao je do zaključka da mineralogija ima minoran utjecaj na trošenje i dezintegraciju mudrock-a koji ne sadrže značajnu količinu bubrivih minerala glina (non-expandable mudrock). Trošenje ove vrste mudrocka uglavnom je posljedica raspucavanja.


Olivier je mišljenja da se efekt dugotrajnog sušenja na zraku može stimulirati relativno kratkim vremenom (12 sati) sušenjem u sušnici na 105°C. Ovaj postupak ima smisla s obzirom da je ispitivana stijena imala različitu vlažnost. Sušenjem svih varijeteta u istim uvjetima osiguran je jedan referentni nivo vlažnosti što omogućava da se rezultati pokusa mogu komparirati, a po potrebi i ponoviti (Olivier, 1979, p 265). Međutim, Grice upozorava da ekstremni uvjeti sušenja i vlaženja mogu navesti na krive zaključke o trajnosti stijene. On je proučavao utjecaj kolebanja temperature i vlažnosti na dezintegraciju ordovicijskog "mudrock"-a iz Kanade koji nije sadržavao bubrive minerale glina. Uočio je veliku razliku u dezintegraciji stijene koja je bila podvrgnuta ciklusima realnih vrijednosti vlažnosti i temperature (60-90% relativne vlažnosti i 20-30°C temperature) u odnosu na stijenu koja je bila izložena ciklusima potpunog vlaženja (saturirana stijena) i sušenja (sušeno u sušnici). U slučaju kada je stijena bila izložena ciklusima realnih vrijednosti vlažnosti i temperature, prsline su se pojavile nakon devet mjeseci. Međutim, isti materijal se potpuno raspao nakon prvog potapanja u vodu ako je prije toga bio osušen. 5.3.2 Klasifikacija i identifikacija stijena u odnosu na trajnost Brojni problemi koje izaziva trošenje stijena u geotehničkim građevinama, ponukali su mnoge istraživače da opišu ovu pojavu. Richardson i Wiles (1990) navode da je u periodu od 1955. do 1985. god. objavljeno najmanje 20 klasifikacijskih sistema u odnosu na trajnost šejla. U ovim klasifikacijama koristi se oko 50 tipova laboratorijskih pokusa. 5.3.2.1 Oviston i Geodurability klasifikacija Obje klasifikacije razvio je H.J. Oliviera tijekom izgradnje Orange Fish tunela u Južnoj Africi (82 km dugačak s promjerom od 5,33 m). Tunel prolazi kroz "Beaufort" seriju (horizontalno uslojeni pješčenjaci, pjeskoviti i muljasti siltstoni, siltitični muljci) koja pripada "Karoo supergrup"-i gornjo kredne do trijaske starosti. Tunel jednim dijelom prolazi i kroz "post-Karoo dolerite intrusions". Približno 35% dužine tunela iskopano je u "mudrock"-u. "Karoo mudrock" javlja se u velikom broju varijeteta s vrlo različitim inženjerskim svojstvima. Kod ove vrste stijena kao najvažnije se pokazalo svojstvo trajnosti (durability). "Durability" predstavlja otpornost stijenske mase procesima trošenja (wreathering) pod uvjetima cikličkog vlaženja i sušenja ili u uvjetima promjene vlažnosti okoliša (Oliveir, 1979, p 138)). Suprotno svojstvo je "weatherability". Ove klasifikacije služe za procjenu trajnosti (durability) stijene i primjenjive su na kompaktne i slabo cementirane stijene koje pokazuju tendenciju razgradnje (deteriorate) tijekom izgradnje tunela ili drugih inženjerskih radova. Autor također preporuča geodruability klasifikaciju kao jedan poseban kriterij u RMR klasifikaciji (Olivier, 1976). Proučavajući litološka, minerološka i svojstva trošenja "Karoo mudrock"-a, Olivier je primjetio da se kvantitativna procjena trajnosti stijene može napraviti na osnovi rutinske procjene čvrstoće i deformabilnosti intaktnog stijenskog materijala u uvjetima jednoosnog tlačenja kao i stupnja kompaktnosti koji se odredi pomoću Duncan-ovog koeficijenta slobodnog bubrenja (Olivier, 1979). Dakle, prema Olivier-u, trajnost (durability) stijene može se procijeniti na osnovi slijedeća tri parametra: • jednoosne tlačna čvrstoća, σc, • deformabilnosti stijene izražena preko sekantnog modula deformabilnost, Es, koji se odredi kod 50%

σc, • Duncanovog koeficijent slobodnog bubrenja. Određivanje Duncanovog koeficijenta slobodnog bubrenja Prema Duncan-u, lom kompaktiranih i slabo cementiranih tipova stijena dogodit će se za vrijeme saturacije kada naprezanje bubrenja (internal saturation swelling stress), σs, koji se razvija unutar stijene, kao rezultat kapilarnog tlaka, premaši vlačnu čvrstoću stijene. Parametar σs može se izračunati ako se zna


modul deformabilnosti intaktnog stijenskog materijala, Es, i Duncan-ov koeficijent slobodnog bubrenja, εD.

σs=Es* εD Duncanov koeficijent slobodnog bubrenja (εD) odredi se pokusom bubrenja slobodnog uzorka. Mjeri se promjena visine slobodnog uzorka nakon njegovog potapanja u vodu. Prije potapanja, uzorak je osušen u sušnici na 1050C tijekom najmanje 12 sati. Slika XXX Oprema za određivanje Duncanovog koeficijenta slobodnog bubrenja Iz izmjerenih podataka se izračuna: • Duncanov koeficijent bubrenja

0hax

axδ

ε =

δax-Promjena visine uzorka h0-početna visina uzorka OVISTON klasifikacija Ova klasifikacija dobila je ime prema imenu terenskog laboratorija (Oviston). Klasifikacija je bazirana na tri parametra: • Jednoosnoj tlačnoj čvrstoći, σc, određenoj na prirodno vlažnim uzorcima. Pravac opterećenja okomit

je na plohe slojevitosti (D=54 mm; H/D=2,5; v=0,7 MPa s-1

). • Naprezanju bubrenja (internal saturation swelling stress), σs, koji se odredi iz Duncanovog

koeficijenta slobodnog bubrenja (εD) i sekantnog modula deformabilnosti (Es). σs=Es* εD Stijena je podijeljena u pet klasa: A-excellent; B-good, C-fair, D-poor i E-very poor. Granice između pojedinih klasa definirane su vrijednostima tzv. rejtinga postojanosti stijene σc/σs (rating of rock durability) (slika XXX). Nedostatak Oviston klasifikacije je neophodnost određivanja modula deformabilnosti što zahtjeva posjedovanje adekvatne mjerne tehnike i druge opreme.

δax h0


Slika XXX Oviston klasifikacija intaktnog stijenskog materijala na primjeru Karoo stijena Geodurabolity klasifikacija Za primjenu Oviston klasifikacije neophodno je poznavati modul deformabilnosti stijene. Imajući u vidu poteškoće određivanja deformabilnosti stijene u terenskim uvjetima kao i mišljenje Voighta da modul deformabilnosti igra malu ulogu kod klasifikacija stijena, Olivier je predložio revidiran oblik Oviston klasifikacije koju je nazvao Geodurability klasifikacija. (Olivier, 1976). Geodurability klasifikacija bazirana je na dva parametra: • Jednoosnoj tlačnoj čvrstoći, σc, određenoj na prirodno vlažnim uzorcima. Pravac opterećenja okomit

je na plohe slojevitosti (D=54 mm; H/D=2,5; v=0,7 MPa s-1

). Umjesto jednoosne tlačne čvrstoće može se koristiti indeks čvrstoće u točki (point load strength indeks), Is.

• Duncanovom koeficijent slobodnog bubrenja. Geodurabiliti klasifikacija dijeli stijenu u šest klasa. Klasa A označava stijenu koja ima "excellent" kvalitetu po parametru trajnosti (durability) dok klasa F označava "very poor" kvalitetu po istom parametru (slike XXXX).


Slika XXX Geodurability klasifikacija (čvrstoća opisana jednoosnom tlačnom čvrstoćom) Slika XXX Geodurability klasifikacija (čvrstoća opisana indeksom čvrstoće u točki)


5.3.2.2 “Deere - Gamble durability – plasticity” klasifikacija Ovu klasifikaciju predložili su Deere i Gamble, 1971. god. (Olivier, 1979). Klasifikacija je bazirana na dva parametra: indeksu plastičnosti i indeksu koji se dobije iz “slake durability pokusa”. Slika XXX "Durability-plasticity" klasifikacija (ISRM, 1979) Olivier (1976, 1979) upozorava da treba biti pažljiv kod analize rezultata “slake durability pokusa”. Navodi slučaj "Karoo" stijenske mase ("karoo mudrock" u kome je iskopan 82 km dugačak "Orange-Fish Tunnel" u južnoj Africi), koja se potpuno raspada u čestice veće od 2 mm koje ne mogu proći kroz sito bubnja. Pokus daje nerealno visok indeks Id2 odnosno pokazuje visoku postojanost (durability stijene). 5.3.2.3 Klasifikacija šejla (shale rating system) Ovaj sistem razvijen je za potrebe ministarstva transporta Ontaria. Opisao ga je Franklin, 1983. god. Ključno svojstvo šejla je brzina njegovog pucanja, kada je izložen vlaženju i sušenju. Postupak klasifikacije je slijedeći: stijeni se najprije odredi "slake durability indeks, Id2". Ako je vrijednost Id2 < 80%, šejl pripada skupni tzv. šejlova sličnih tlu. Na materijalu koji je prošao kroz bubanj odredi se indeks plastičnosti Ip. Ako šejl ima "slake durability index" veći od 80%, onda on pripada skupini tzv. šejlova sličnih stijeni. U ovom slučaju, na fragmentima stijene će se ispitati indeks čvrstoće u točki, Is(50). Pokus čvrstoće u točki treba obaviti na prirodno vlažnom materijalu, a pravac opterećenja treba biti okomit na plohe slojevitosti. Rezultati ispitivanja crtaju se na dijagramu (sl. XXX te se utvrdi odgovarajući "rating" - Rs. Vrijednost Rs kreće se između 0,0 i 9,0. Uspostavljeni su korelativni odnosi između vrijednosti RS i pogodnosti šejla za ugradnju, te stabilnosti nasipa, pokosa i temelja.


Slika XXX Shale rating system (Franklin i Dusseault, 1989)

5.4 Rječnik

swelling The constitutive mineralogy of the rock is such that water is absorbed, causing a measurable increase in volume of the rock. Swelling can exert very large time-dependent forces on rock support systems, or can reduce the size of the openings

weathering the process of disintegration and decomposition as a consequence of exposure to the atmosphere, to chemical action, and to the action of frost, water, and heat. (ISRM)

marl calcareous clay, usually containing from 35 to 65 % calcium carbonate (CaCO3). (ASTM D 653 – 02)

5.5 Literatura ISRM Comission on Swelling Rock and Commission on Testing.Methods (1999), Suggested Methods for

Laboratory Testing of Swelling Rocks, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 36 (1999) 291-306

ISRM, (1994), Commission on Swelling Rock, Suggested Methods for Rapid Identification of Swelling and Slaking Rocks Int. Jour. of Rock Mech. Min. Sci. and Geomech. Abstr. Vol. 31, No.5, pp. 547-550.

Technical Committee on Expansive Soils (TC6) of ISSMFE, Standard Evaluation of Swelling Pressure and Corresponding Heave of Expansive Soil in Laboratory by Constructing Swell Percentage Vs Applied Total Stress Diagram

ISRM Comission on Standardization of Laboratory and field test. (1979), Suggested Methods for Determining Water Content, Porosity, Density, Absorption and Related Properties and Swelling and Slake Durability Index Properties, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 16, No. 2, pp 141-156. (31)

ASTM D 4644 Standard Test method for Slake Durability of Shales and Similar Weak Rocks

Documents

5 Bubrenje i Trosenje Rev1 Vrkljan