BADANIA ULTRAD WIÊKOWE W OCENIE DETERIORACJI SKA

Transkrypt

1 GEOLOGIA 2009 Tom 35 Zeszyt 2/ BADANIA ULTRAD WIÊKOWE W OCENIE DETERIORACJI SKA Ultrasonic assessment of stonework elements deterioration Joanna PINIÑSKA 1, Alicja BOBROWSKA 1 & Cagatay PAMUKCU 2 1 Uniwersytet Warszawski, Wydzia³ Geologii; al. wirki i Wigury 93, Warszawa; joanna.pininska@uw.edu.pl, a.bobrowska@uw.edu.pl 2 Politechnika w Izmirze, Wydzia³ In ynierii Górniczej, Bornova Izmir, Turcja; cagatay.pamukcu@deu.edu.tr Abstract: In an ageing process of stonework elements their strength and decoration value are changing. Ultrasonic method of nondestructive testing is especially applicable in determining the state of the art of rock deterioration and in forecasting and controlling further stages of changes. Tested were, alike, fresh rock samples and samples of deteriorated stoneworks from various locations, subjected to artificial ageing by cyclic freezing, saturating with salt solutions leading to fast drying and crystallizing of salts, and increasing of rock temperature. The poster shows results of comparable researches of ageing travertines from the Raciszyn quarry in Poland and from two locations in Hierapolis, Turkey. Key words: travertine, geomechanical properties, deterioration S³owa kluczowe: trawertyn, w³aœciwoœci geomechaniczne, deterioracja W kamiennych obiektach architektonicznych pod wp³ywem zachodz¹cych procesów deterioracji, wraz z postêpem czasu ulega zmianie ich wytrzyma³oœæ oraz walory dekoracyjne nastêpuje tzw. proces starzenia. Modelowane w warunkach laboratoryjnych procesy starzenia maj¹ na celu ustalenie ich mechanizmów, zachodz¹cych tak pod wp³ywem naturalnych, geologicznych procesów wietrzenia jak i antropogenicznych wp³ywów œrodowiska np. zanieczyszczenia atmosfery, zmiany zasolenia wód lub kwaœnych deszczów. Do prognozowania jakoœciowych i iloœciowych przemian strukturalnych materia³u kamiennego w procesie starzenia z du ym powodzeniem daj¹ siê stosowaæ badania ultradÿwiêkowe, ze wzglêdu na nieniszcz¹cy charakter badañ i nieograniczon¹ powtarzalnoœæ. Praca przedstawia badania procesu starzenia siê trawertynów z kamienio³omu Raciszyn (Polska) oraz trawertynów z Hierapolis (Turcja) z zastosowaniem tej metody (Fig. 1, 2).

2 634 J. Piniñska, A. Bobrowska & C. Pamukcu Fig. 1. Kamienio³om w Raciszynie (Polska) Fig. 1. Quarry in Raciszyn (Poland) Fig. 2. Kamienio³om w Hierapolis (Turcja) Fig. 2. Quarry in Hierapolis (Turkey) Ska³y te, powszechnie wystêpuj¹ce na terenie Turcji, wykorzystywane s¹ jako materia³ dekoracyjny i konstrukcyjny obiektów wspó³czesnych i zabytkowych. Równie polski trawertyn, ze wzglêdu na wysokie walory dekoracyjne w fakturze wypolerowanej, znalaz³ szerokie zastosowanie jako ok³adzina w ekspozycjach wewnêtrznych i zewnêtrznych (Fig. 3, 4, 5A i 5B).

3 Badania ultradÿwiêkowe w ocenie deterioracji ska³ 635 Fig. 3. Antyczne grobowce wykonane z trawertynu w rejonie Hierapolis (Turcja) Fig. 3. Antique tombs made of travertine in the region of Hierapolis (Turkey) Fig. 4. Wspó³czesne wykorzystanie trawertynu do renowacji zabytkowych obiektów in ynierskich most Belkis (Turcja) Fig. 4. Contemporary use of travertine for renovation of engineering monuments bridge Belkis (Turkey) Fig. 5. Elewacje z ok³adzin trawertynowych we wspó³czesnych obiektach w Polsce: A) Muzeum Pocz¹tków Pañstwa Polskiego w GnieŸnie; B) Biblioteka Narodowa w Warszawie Fig. 5. Travertine cladding elevations of the buildings in today s Poland: A) Museum of the Origins of the Polish State in Gniezno; B) The National Library of Warsaw

4 636 J. Piniñska, A. Bobrowska & C. Pamukcu Badania procesów starzenia siê materia³ów kamiennych i stopnia ich degradacji musz¹ uwzglêdniaæ wp³yw czasu jako wa ny aspekt deterioracji. Na podstawie modelowania zmian cech materia³u w warunkach laboratoryjnych, mo liwe jest okreœlenie podatnoœci i wra liwoœci ska³y na wybrane czynniki niszcz¹ce. Badania starzenia siê trawertynów przeprowadzono na próbkach œwie ego trawertynu z Raciszyna i Hierapolis oraz na próbkach materia³u zwietrza³ego z antycznego kamienio³omu w Hierapolis. Znormalizowane i przystosowane do badañ wytrzyma³oœciowych próbki skalne badano w warunkach laboratoryjnych przy zastosowaniu metody przejœcia, fal o du ej czêstotliwoœci rzêdu 2 3 MHz, dla zapewnienia nieograniczonoœci oœrodka. Próbki trawertynu z Hierapolis i Raciszyna, poddane zosta³y cyklicznym badaniom, okreœlaj¹cym ich odpornoœæ na dzia³anie niskich temperatur, wp³yw krystalizuj¹cej soli i podwy szonej temperatury. Brano pod uwagê lokalizacjê obiektu, elementy œrodowiska oraz odmiennoœæ klimatu umiarkowanego Polski od œródziemnomorskiego Turcji. Wp³yw mechanicznego dzia³ania wody i zamrozu w regionie klimatycznym umiarkowanym uznano za charakterystyczne dla warunków w Polsce, z racji e przymrozki mog¹ wystêpowaæ przez okres prawie pó³ roku (koniec wrzeœnia pocz¹tek czerwca). Natomiast wp³yw podwy szonych temperatur jest charakterystyczny dla klimatu œródziemnomorskiego Turcji. Wp³yw krystalizacji soli jest zjawiskiem bardziej uniwersalnym, gdy ³¹czy oddzia³ywanie wody opadowej, temperatury oraz zanieczyszczeñ powietrza, a mo e byæ równie efektem dzia³ania organizmów ywych. Jako t³o wp³ywu tych czynników na starzenie badanych ska³ przyjêto w³asnoœci fizyczne i wytrzyma³oœciowe materia³u œwie ego z kamienio³omów, szczególnie porowatoœæ, szczelnoœæ oraz nasi¹kliwoœæ objêtoœciow¹ i wagow¹ oraz wytrzyma³oœæ na jednoosiowe œciskanie (Tab. 1). Tabela (Table) 1 W³aœciwoœci fizyczne i wytrzyma³oœciowe badanych ska³ Physical and strength properties of tested rocks Materia³ skalny Rock material RA Raciszyn kamienio³om RA Raciszyn quarry HO Hierapolis kamienio³om HO Hierapolis quarry HA Hierapolis materia³ antyczny HA Hierapolis antique material Gêstoœæ pozorna Density [g/cm 3 ] (2.30) (1.79) (1.57) Porowatoœæ Porosity P [%] (9.89) (23.70) (29.00) Szczelnoœæ Leakproofness S [%] (83.95) (71.60) (74.30) Nasi¹kliwoœæ objêtoœciowa Absorption n [%] (6.51) (10.63) (26.80) Wytrzyma³oœæ na œciskanie Compression strength R co (44.11) (12.70) (6.79)

5 Badania ultradÿwiêkowe w ocenie deterioracji ska³ 637 Badania makroskopowe próbki (Fig. 6A) p³ytek cienkich (Fig. 6B) oraz analizy skaningowe (Fig. 6C), wskazuj¹ e we wszystkich analizowanych próbkach trawertynów mamy do czynienia z materia³em wysokoporowatym. Przy czym porowatoœæ trawertynów z Raciszyna jest prawie dwukrotnie ni sza ni trawertynów z Hierapolis. Fig. 6. Obraz makroskopowy, mikroskopowy i skaningowy struktury badanego materia³u skalnego: (A) obraz makroskopowy próbki do badañ wytrzyma³oœciowych, (B) obraz mikroskopowy p³ytek cienkich, (C) obraz skaningowy, I Raciszyn materia³ œwie y, II Hierapolis materia³ œwie y, III Hierapolis materia³ antyczny Fig. 6. Macroscopic, microscopic and SEM view of the internal structure of rock material: (A) macroscopic view of sample prepared for strength tests, (B) microscopic view of thin section, (C) SEM image, I Raciszyn fresh material, II Hierapolis fresh material, III Hierapolis ancient material Do analizy postêpu starzenia zastosowano badania nieniszcz¹ce (ultradÿwiêkowe), prowadzone w kolejnych cyklach modelowania. We wszystkich przypadkach okreœlono wartoœæ pocz¹tkow¹ prêdkoœci fali pod³u nej (V po) w kierunku prostopad³ym i równoleg³ym do osi próbki (Tab. 2).

6 638 J. Piniñska, A. Bobrowska & C. Pamukcu Tabela (Table) 2 Zestawienie pocz¹tkowej wartoœci prêdkoœci fali pod³u nej V po Sets of initial values of the longitudinal wave velocity V po Materia³ skalny Rock material RA Raciszyn kamienio³om RA Raciszyn quarry HO Hierapolis kamienio³om HO Hierapolis quarry HA Hierapolis materia³ antyczny HA Hierapolis antique material Prêdkoœæ fali pod³u nej Longitudinal wave velocity V p II [m/s] Prêdkoœæ fali pod³u nej Longitudinal wave velocity V p [m/s] (5151) (4050) (3953) (3951) (2559) (2530) Narastanie defektów struktury w warunkach cyklicznego zamra ania, cyklicznej krystalizacji soli oraz wp³ywu podwy szonej temperatury monitorowano poprzez rejestracjê zmian prêdkoœci propagacji fali pod³u nej od V po do V pn. We wszystkich przypadkach prêdkoœæ fali rejestrowana w trakcie cykli starzenia stopniowo mala³a, co wskazuje na rozluÿnienie struktury materia³u (Fig. 7A, B, C). Zmiany wytrzyma³oœci na jednoosiowe œciskanie (Rc) pod dzia³aniem zamrozu, krystalizacji soli i podwy szonej temperatury przedstawia tabela 3 i figura 8. Tabela (Table) 3 Wartoœci R c w stanie naturalnym (R co) oraz po cyklicznych badaniach odpornoœciowych na czynniki degraduj¹ce: zamróz (R c mróz), podwy szonej temperatury (R c sun) i krystalizacja soli (R c sól) The values of R c in the natural state (R co) and after cyclic tests on resistance to degradation factors: freeze-thaw cycles (R c frost,), elevated temperature (R c sun) and the crystallization of salt (R c salt ) Materia³ skalny Rock material R co R c mróz R c freeze-thaw R c sól R c salt R c s³oñce R c sun RA Raciszyn kamienio³om RA Raciszyn quarry (44.11) (25.9) (34.43) (27.95) HO Hierapolis kamienio³om HO Hierapolis quarry (12.70) (10.16) (10.8) (10.7) HA Hierapolis mat. antyczny HA Hierapolis antique mat (6.79) (2.32) (4.5) (3.33)

7

8 Badania ultradÿwiêkowe w ocenie deterioracji ska³ 639 Fig. 8. Przedzia³y zmiennoœci R c w stanie naturalnym oraz po cyklicznych badaniach odpornoœciowych na czynniki degraduj¹ce: zamróz, podwy szoa temperatura i krystalizacja soli Fig. 8. R c variation ranges in the natural state and after cyclic tests on resistance to degradation factors: freeze-thaw, elevated temperature and the crystallization of salt Z badañ wynika, e trawertyny polskie z Raciszyna s¹ materia³em o wy szej wytrzyma- ³oœci i mniej podatne na dzia³anie zamrozu, podwy szonej temperatury oraz krystalizacjê soli ni trawertyny z Hierapolis oraz potwierdzaj¹, e stan os³abienia materia³u antycznego w stosunku do materia³u œwie ego jest znacznie wy szy. Praca by³a prezentowana na VII Konferencji Naukowo-Technicznej pt. Geofizyka w geologii, górnictwie i ochronie œrodowiska organizowanej z okazji jubileuszu 90-lecia AGH na WGGiOŒ.