Pseudokras v technických horninách. Jana Nezvalová

Transkript

1 Pseudokras v technických horninách Jana Nezvalová jana.nezvalov@post.cz Ostravská Univerzita v Ostravě, přírodovědecká fakulta, Chittussiho 10, Ostrava- Slezská Ostrava V průběhu kulturního vývoje lidské společnosti byla krajina do značné míry nejen přetvářena, ale i obohacována o prvky vytvořené lidmi. K takovým artefaktům patří i technogenní reliéf, tj. reliéf staveb. Technogenní reliéf je jako součást antropogenně přeměněné krajiny ovlivňován krajinotvornými pochody obdobně jako reliéf přírodní. Lidská činnost přinesla do krajiny také nové materiály, budující reliéf staveb, z nichž některé jsou analogíí přírodních hornin a jsou složeny z přírodních komponent. Definujeme je jako technické horniny účelově připravované umělé asociace různého složení a struktury, které vznikly technogenním procesem (NEZVALOVÁ, J., 2002). Zajímavým fenoménem současné krajiny je koroze těchto materiálů účinkem dlouhodobého působení prostředí a s tím související rozvoj procesů krasovění za vzniku specifických mikrotvarů, geneticky i morfologicky velmi podobných krasovým jevům v prostředí přírodních hornin. Tvary, pozorované v technických horninách lze nazvat pseudokrasem v technických horninách, resp. technokrasem. Důvodem řazení koroze technických hornin a následného vzniku speleotém k problematice pseudokrasu je to, že ne všechny součásti původní horniny přechází do roztoku; z chemického hlediska nejsou minerály, které druhotně krystalizují totožné s minerály primárními, ale Ca(OH) 2 tu přechází do CaCO 3 resp. dalších minerálů. Na proces koroze technických hornin mají velký vliv také fyzikáln ě- chemické pseudokrasové procesy. K technickým horninám, které podléhají korozi náleží materiály, jejichž pojivo tvoří cementový kámen, tj. různé druhy betonových směsí, malt a umělých kamenů; svým složením i vlastnostmi jsou analogické přírodním horninám, podléhajícím procesu krasovění, jako jsou vápnité pískovce, slepence, písčité vápence apod. Koroze technických hornin se vyskytuje tam, kde technické horniny přicházejí do styku s vodním prostředím, nebo kde agresivní látky působí z ovzduší (SO 2, CO 2 ) a za přítomnosti vodní páry reagují s povrchem, resp. difundují do struktury technických hornin. Voda resp. vodní pára svými erozními a transportními vlastnostmi umož ňuje přístup agresivních složek ke korodovanému materiálu a jejich pohyb ve struktuře horniny. Korozí technických hornin rozumíme nevratnou přeměnu horniny, postupující od povrchu staviva, při které dochází k chemické reakci materiálu se složkami okolního prostředí. Faktory ovlivňující intenzitu vzájemného působení prostředí a materiálu a rychlost korozního procesu jsou jednak tzv. vnit řní činitele, popisujcí odolnost technické horniny (např. fyzikální a chemické složení cementového kamene, pórovitá struktura horniny, velikost a tvar povrchu přicházejícího do styku s agresivním prostředím ap.), jednak tzv. vnější činitele,

2 charakterizující agresivní prostředí (např. druh a koncentrace agresivní složky, fyzikálně-mechanické podmínky korozního procesu ap.) Koroze technických hornin, podléhajících chemickému rozpoušt ění, probíhá několika fyzikálně-chemickými procesy, jsou to zejména: o rozpouštění silikátů a vápenatých sloučenin a postupné vyluhováním pojiva technických hornin, zvláště Ca(OH) 2 portlanditu, jako nejrozpustnější složky cementového kamene, o tvorbou chemických sloučenin, které výrazně zvyšují svůj objem proti původnímu stavu, o tvorbou výkvětů a novotvarů, tj. rozspuštěnými látkami, které difundují k povrchu horniny a zde krystalizují, o karbonatací a sulfatací technických hornin, reakcí hydratovaných minerálů s CO 2 resp. SO 2 z ovzduší, při změně ph betonu a tvorbě krystalických novotvarů. Chemismus každého typu koroze je odlišný podle charakteru reakce mezi agresivní složkou prostředí a složkami technické horniny. Rozlišujeme tři druhy koroze způsobené kapalným agresivním prostředím. Koroze I. druhu spočívá v rozpouštění a vyluhování složek cementového kamene tzv. hladovými vodami. Korozi II. druhu způsobují reakce složek cementového kamene a agresivními látkami v roztoku za vzniku lehce rozpustných slou čenin, nebo sloučenin bez vazných vlastností. Dále se podle chemického složení roztoku, který korozi II. druhu způsobuje, dělí na korozi způsobenou kyselinami za vzniku rozpustných či nerozpustných solí, korozi způsobenou alkáliemi, korozi hořečnatou a nejčastěji se vyskytující korozi způsobenou agresivním CO 2 za vzniku CaCO 3. Korozi III. druhu charakterizují nově vznikající reakční produkty hromadící se v pórech, kapilárách a na povrchu cementového kamene jde zejména o korozi síranovou, při které dochází ke krystalizaci sádrovce. Obecně lze konstatovat, že okolní atmosféra není agresivní vůči technickým horninám, pokud není znečištěna agresivními složkami. V případě koroze technických hornin plynným prostředím, rozlišujeme tzv. karbonataci technických hornin, kdy CO 2 obsažený v atmosféře postupně neutralizuje Ca(OH) 2 v povrchové vrstvě horniny konečným produktem karbonatace jsou i 10x větší krystaly kalcitu a aragonitu, které prostupují celou strukturu cementového tmele. Sulfatace technických hornin je korozní přeměna daného materiálu vlivem SO 2 ze vzduchu za spolupůsobení vodní páry a kyslíku z atmosféry, přičemž výsledným produktem jsou sulfáty vápenaté, zejména sádrovec. Sulfatací všeobecně dochází k postupné přeměně struktury materiálu, jejíž rychlost je výrazně ovlivněna zejména relativní vlhkostí prostředí a koncentrací SO 2 (Matoušek, M., 1998). Pevné agresivní prostředí není v suchém stavu vůči technickým horninám korozivní. Bez přítomnosti kapalné fáze se agresivita solí obsažených v půdách a zeminách nemůže projevit. Za přítomnosti vody, probíhá koroze v podstatě vodnými roztoky solí, tedy vlastně agresivními vodami (DOBRÝ, PALEK, 1988). Krasové formy technických hornin se vyskytují na všech druzích beton ů, malt a umělých kamenů jejichž pojivo tvoří cementový kámen. Nacházejí se zejména na betonových konstrukcích (viz foto č. 1), například v objektech

3 československého obranného systému (PRÁŠEK, 1984), ale i na kamenných stavbách (viz foto č. 2), dlouhodobě vystavených vlivům okolního prostředí, kde je jejich zdrojem malta. Vzhledem ke stáří stavebních konstrukcí z technických hornin a tedy i krátké době působení korozních procesů se na reliéfu staveb, podléhajících krasovění, vyskytuje omezená morfologická škála mikroforem. Podle toho, zda vznikly rozpouštěním nebo vysrážením hmoty, je můžeme dělit na primární, vytvořené korozí a tedy rozpouštěním horniny (voštiny apod.) a na sekundární, vytvořené vysrážením rozpouštěné horniny (krápníky, náteky apod.). Na rozdíl od klasických speleotém se speleotémy technických hornin hojn ě nacházejí nejen hluboko v podzemí, ale také na povrchu. Rychlost nar ůstání sekundárně tvořených sintrů v technických horninách je oproti přírodním podmínkám podstatně vyšší. Vliv klimatu na rychlost růstu speleotém reliéfu staveb není příliš výrazný, přesto je zřejmá jeho úzká souvislost s mírou zvlhčení horniny a teplotní složkou mikroklimatu místa jejich výskytu. Míru krasovění technických hornin ovlivňuje zejména stupeň jejich zvlhčení, ať už způsobeného průsakem resp. vzlínáním srážkové, podzemní nebo povrchové vody nebo difuzí vodní páry ze vzduchu. Záleží na specifickém mikroklimatu místa, přičemž rozdíly nemusí být vůbec patrné a může k nim docházet doslova na několika metrech. Nejdůležitějším faktorem krasovění technických hornin je přístup agresivního prostředí ke konstrukci. Na základě laboratorních analýz reprezentativního souboru vzork ů karbonátových speleotém technogenního reliéfu, provedených v prosinci 2002 až březnu 2003, byl charakterizován proces jejich morfogeneze. Speleotémy vznikly uhličitanovou korozí za současného spolupůsobení karbonatace betonu v závislosti na míře zvlhčení horniny. Působením CO 2 z ovzduší i z roztoku dochází k přeměně Ca(OH) 2 v cementovém kameni v CaCO 3 dle rovnice: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O (1), a k jeho následnému dalšímu rozpouštění a opětovnému vysrážení na základě změn parciálního tlaku pco 2, podle následující rovnice: CaCO 3 (s) + H 2 O + CO 2 Ca HCO 3 - (2). Ca 2+ + CO 3 2- Infračervená spektroskopie prokázala, že mineralogické složení všech speleotém, které sloužily jako reprezentativní soubor vzork ů, je tvořeno výhradně kalcitem s hodnotami absorpčních pásů 712, 874, , Pomocí mikroskopické analýzy vzorků byl objasněn způsob krystalizace kalcitových speleotém vznikajících na technických horninách. Všechny vzorky vykázaly stejné mikropetrografické charakteristiky. Bázi krust tvo ří velmi jemnozrnné až pelitomorfní krystalické agregáty kalcitu, na kterých u

4 mocnějších povlaků dochází k rekrystalizaci a orientovanému nárůstu kalcitových skaenoedrů osou c kolmo na povlak. Dochází také k dutinové krystalizaci až kokardovité struktury, kdy krystaly kalcitu vypl ňují mezipovlakový (krustový) prostor. Z počtu kalcitových krust je možné velmi hrubě odhadnout stáří speleotémy. Speleotémy byly silně rekrystalizovány a vzhledem k tomu, že k rekrystalizaci karbonátů na kalcit dochází často už při jejich vzniku, nebylo možné určit zda původně krystalizoval i jiný minerál např. aragonit. Z mikroskopické analýzy výbrusů kalcitových speleotém byl vyvozen závěr, že ke krystalizaci dochází na fázovém rozhraní při poklesu parciálního tlaku pco 2, funkci krystalizačních jáder přitom plní organický materiál jako jsou různé bakterie (např. Bacillus Cerrerus a Bacillus Brivis) a řasy. Ty mohou při fotosyntéze obohacovat vodný roztok o CO 2 a tím umocňovat krasovění horniny. Tento fakt potvrzuje mikroskopická analýza vzorku pocházejícího z vrcholových partií Krkonoš, tedy z velmi studeného klimatu. Vzorek se vyznačuje velice jemnými těsně na sebe naléhajícími vrstvičkami kalcitu. Na rozdíl od ostatních zkoumaných speleotém, které se vytvo řily v klimatu podstatně teplejším a vyznačují se silnějšími, vzájemnými mezerami oddělenými, kalcitovými krustami. Předpokládejme, že ve studeném podnebí dochází díky horším podmínkám pro život bakterií a řas k malým přírůstkům kalcitového materiálu pouze v klimaticky mírnější části roku. Vzorky, které byly získány v prostředí měst v blízkosti velice rušných a prašných komunikací, vykázaly vliv městského prostředí na genezi speleotém. Prach, saze a jiné nečistoty brání krystalizaci a způsobují výrazné mezery mezi jednotlivými krustami. V suchých obdobích roku (např. v zimě) nedochází k rozpouštění a tedy ani k vysrážení novotvořeného kalcitu a na povrchu speleotém se usazuje vrstva nečistot, která může po určitou dobu bránit krystalizaci další vrstvy materiálu. Na technických horninách vznikají v přirozených podmínkách okolního prostředí tvary morfologicky i geneticky podobné jako v horninách přírodních. Vzhledem ke skutečnosti, že technické horniny jsou chemickým a petrografickým složením analogické přírodním horninám, a liší se pouze způsobem svého vzniku, je přirozené, že reagují na vlivy okolního prostředí podobně jako horniny přírodní. Reliéf stavebních konstrukcí je významnou a neoddělitelnou součástí životního prostředí. Proto je třeba zkoumat vlivy, které na něj působí, tvary, které zde vznikají a procesy, které k nim vedou stejně důkladně, jako jevy a procesy, vznikající v přírodním reliéfu. Intenzita korozních procesů, mj. vyjádřená dokonalostí tvarů mikroreliéfu konstrukcí, resp. technoreliéfu, je důležitým ukazatelem stárnutí konstrukcí inženýrských děl. Literatura DOBRÝ, O., PALEK, L. Koroze betonu ve stavební praxi. 1.vyd., 185 s. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, ISBN Matoušek, M. Atmosférická koroze betonů. 1.vyd.,171 s. Praha: Ikas, ISBN

5 NEZVALOVÁ, J. The corrosion of the technical rocks and microforms of their relief. Zbadań nad wpĺywem antropopresji na środowisko. Tom 3, roč. 2002, s Sosnowec, Polsko: Wydziaĺ nauk o źiemi UŚ, ISBN PRÁŠEK, J.: Krápníková výzdoba v objektech československého obranného systému na Hlučínsku. Československý kras, roč. 35, s Praha Foto č. 1 Krápníková výzdoba v prostorách objektu československého obranného systému (foto J. Prášek, 2002) Foto č. 2: Krápníková výzdoba na železničním viaduktu v Brně (foto J. Nezvalová, 2002). Summary Pseudokarst in technical rocks This article is concerning problems of pseudokarst in technical rocks. The karst-forming processes appear in natural rocks and also in technical materials, some of which are a certain analogy of natural rocks. We call these materials technical rocks.

6 The article defines technical rocks and examines their corrosion and the processes that cause it. It mentions the effect of surrounding environment, karst-forming processes of technical rocks and defines representative microforms of construction relief as analogy of natural processes in conditions of anthropogenous relief transformation. The results are supported by field study and laboratory analyses of speleothems based on exact methods.