Pseudokras v technických horninách Jana Nezvalová V průběhu

Pouze v elektronické verzi
Pseudokras v technických horninách
Jana Nezvalová
[email protected]
Ostravská Univerzita v Ostravě, přírodovědecká fakulta, Chittussiho 10, 710 00 OstravaSlezská 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 jev ům 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 druhotn ě krystalizují totožné
s minerály primárními, ale Ca(OH) 2 tu přechází do CaCO3 resp. dalších
minerálů. Na proces koroze technických hornin mají velký vliv také fyzikáln ěchemické 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 p řírodním
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, CO2) 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 struktu ře horniny.
Korozí technických hornin rozumíme nevratnou p řeměnu 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 (nap ř. fyzikální a chemické složení
cementového kamene, pórovitá struktura horniny, velikost a tvar povrchu
přicházejícího do styku s agresivním prostředím ap.), jednak tzv. vnější činitele,
PDF byl vytvoøen zkušební verzí FinePrint pdfFactory Pro http://www.fineprint.cz
Pouze v elektronické verzi
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 CO2 resp. SO2 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 CaCO3.
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 v ůči 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 SO2 (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
PDF byl vytvoøen zkušební verzí FinePrint pdfFactory Pro http://www.fineprint.cz
Pouze v elektronické verzi
československého obranného systému (P RÁŠEK, 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 CO2 z ovzduší i z roztoku
dochází k přeměně Ca(OH)2 v cementovém kameni v CaCO3 dle rovnice:
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O
(1),
a k jeho následnému dalšímu rozpouštění a opětovnému vysrážení na základě
změn parciálního tlaku pCO2, podle následující rovnice:
CaCO3(s) + H2O + CO2 Ca2+ + 2HCO3- (2).
Ca2+ + CO32-
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, 1419-34, 1799.
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
PDF byl vytvoøen zkušební verzí FinePrint pdfFactory Pro http://www.fineprint.cz
Pouze v elektronické verzi
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 nap ř.
aragonit.
Z mikroskopické analýzy výbrusů kalcitových speleotém byl vyvozen závěr,
že ke krystalizaci dochází na fázovém rozhraní při poklesu parciálního tlaku
pCO2, 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 (nap ř. 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 p řírodních.
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 stejn ě
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, 1988. ISBN 04-732-88.
Matoušek, M. Atmosférická koroze betonů. 1.vyd.,171 s. Praha: Ikas, 1998. ISBN 80-9025580-9.
PDF byl vytvoøen zkušební verzí FinePrint pdfFactory Pro http://www.fineprint.cz
Pouze v elektronické verzi
NEZVALOVÁ, J. The corrosion of the technical rocks and microforms of their relief. Zbadań
nad wpĺywem antropopresji na środowisko. Tom 3, roč. 2002, s. 65 - 71. Sosnowec, Polsko:
Wydziaĺ nauk o źiemi UŚ, 2002. ISBN 83-87431-51-6.
PRÁŠEK, J.: Krápníková výzdoba v objektech československého obranného systému na
Hlučínsku. Československý kras, roč. 35, s. 100. Praha 1984.
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.
PDF byl vytvoøen zkušební verzí FinePrint pdfFactory Pro http://www.fineprint.cz
Pouze v elektronické verzi
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.
PDF byl vytvoøen zkušební verzí FinePrint pdfFactory Pro http://www.fineprint.cz