-FIZIČKA SVOJSTVA STENA -provetrivost - toplotna svojstva - provodljivost zvuka -električna provodljivost - magnetičnost - radioaktivnost

Transcript

1 Univerzitet u Nišu Građevinsko-arhitektonski fakultet Predmet: Inženjerska geologija Nastavna jedinica: Tehnički značajna svojstva stena III predavanje -FIZIČKA SVOJSTVA STENA -provetrivost - toplotna svojstva - provodljivost zvuka -električna provodljivost - magnetičnost - radioaktivnost Srđan Kostić, dipl.inž.geol.

2 PROVETRIVOST - svojstvo stena da kroz agregat svojih pora propuštaju vazduh ili druge gasove - zavisi od efektivne poroznosti i razlike pritisaka pri kojima se odvija propuštanje gasova - razlikuju se dve vrste provetrivosti: - efuziona provetrivost odvija se kod stena sa superkapilarnim i široko otvorenim porama, pri normalnom pritisku; javlja se kod karbonatnih stena sa kavernoznim tipom poroznosti - difuziona provetrivost sporo kretanje gasova kroz agregate sitnih pora ili čak kroz mineralnu supstancu - najvećom provetrivošču odlikuju se karbonatne karstifikovane stene (krečnjaci, dolomititi), bigar, tuf, les - najmanjom provetrivošću odlikuju se stene sa subkapilarnom i kapilarnom poroznošću

3 PROVETRIVOST -ispituje se u laboratoriji na uzorcima, a izražava se preko koeficijenta provetrivosti K p : K p = (2 x μ x Q x L) / (A x (P 1 P 2 )) x10 5 gde je μ koeficijent viskoziteta vazduha, Q količina vazduha koja prođe krozuzorak stene, L dužina uzorka, A površina poprečnog preseka uzorka, a P 1 -P 2 razlika pritisaka na početku i na kraju uzorka - koeficijent provetrivosti predstavlja onu količinu vazduha koja za vreme od jedne sekunde prođe kroz uzorak jediničnog poprečnog preseka i jedinične dužine, a pri razlici pritisaka od 1Pa -značaj poznavanja provetrivosti stena je veliki kod podzemne eksploatacije uglja i drugih mineralnih sirovina, kod izgradnje podzemnih objekata, i dr.

4 TOPLOTNA SVOJSTVA - toplotna provodljivost sposobnost stena da kroz svoju masu provode toplotu -provođenje toplote kroz stene vrši se na tri načina: - konduktivno (predaja toplote od toplije ka hladnijoj čestici) - konvekciono (prenošenje toplote mehaničkim premeštanjem zagrejanih čestica tečnosti i gasa između dve površine različitih temperatura) i - toplotnim zračenjem - zavisi od toplotne provodljivosti minerala, strukture i teksture, poroznosti i ispunjenosti pora, vlažnosti, starosti, temperature i pritiska - petrogeni minerali imaju niže vrednosti toplotne provodljivosti, dok su metalični minerali bolji provodnici toplote -provođenje toplote kod poroznih stena zavisi od veličine pora, njihove povezanosti i količine; poroznije stene su slabiji provodnici toplote, i to naročito ako su pore izolovane - povećanjem vlažnosti povećava se toplotna provodljivost stena

5 TOPLOTNA SVOJSTVA - toplotna provodljivost stena kvantitativno se izražava koeficijentom provodljivosti toplote λ, koji predstavlja količinu toplote Q koja se prenese kroz uzorak stene u jedinici vremena t, kroz jedinicu površine A, na rastojanju L, pri temperaturnom gradijentu jednakom jedinici: Q L t A (T 1 T 2 ) (W mk) - anizotropija toplotne provodljivosti stena u različitim pravcima Toplotna provodljivost (W/mK) Vrsta stene Paralelno Upravno na K slojevitosti slojevitost an Kvarcni peščar 5,69 5,48 1,02 Gnajs 3,14 2,16 1,20 Mermer 3,08 3,01 1,01 Krečnjak 3,44 2,56 1,16 Koeficijent anizotropije //

6 TOPLOTNA SVOJSTVA - temperaturna provodljivost karakteriše se brzinom prostiranja promene temperature usled apsorpcije ili predaje toplote - specifična toplota količina toplote koja jedinici mase poveća temperaturu za 1 0 C -termičko širenje stena promena zapremine stena usled promene temperature; izražava se termičkim koeficijentom linearne ili zapreminske dilatacije: L L (1/ K) L0 (T2 T 1) L0 T gde je ΔL promena linearne dimenzije uzorka stene, a L 0 prvobitna dužina uzorka stene Vrsta stene Termički koeficijent linearne dilatacije 10-5 (1 K) Granit 0,6-0,9 Dijabaz 0,54 Peščar 0,5-1,2 Krečnjak 0,5-0,79 Mermer 0,3-1,5 Kvarcit 1,1

7 TOPLOTNA SVOJSTVA odnos stena prema temperaturi - temperaturne promene utiču na promenu zapremine minerala, stvarajući nataj način nehomogeno naponsko polje i slabljenje kohezionih sila - povećanje temperature za 10% udvostručuje brzinu hemijskih reakcija - smanjenje temperature povećava rastvorljivost gasova u vodi -kritične vrednosti temperature za stene: -t<0 0 C niske temperature -t=-30 0 C 50 0 C sezonske temperature - t = C srednje do visoke temperature - t > C vrlo visoke temperature

8 TOPLOTNA SVOJSTVA - poznavanje termičke dilatacije stena ima veliki značaj kada se stene koriste u građevinarstvu: za oblaganje građevina, za kamene ograde, popločavanje trotoara i trgova, i dr. DEJSTVO NISKIH TEMPERATURA (MRAZA) NA STENE - otpornost stena na delovanje mraza zavisi od poroznosti, čvrstoće stena, kao i od intenziteta i dužine trajanja mraza i cikličnog smenjivanja mraza i otopljavanja - delovanje mraza kod prašinastih i glinenih stena je specifično usled leđenja i otapanja vode u ovim stenama dolazi do nadimanja i izdizanja (mrazno-dinamičke pojave) - temperatura mržnjenja vode opada sa stepenom mineralizacije, i sa povećanjem pritiska (pritisak od 15MPa snizi tačku mržnjenja vode za oko 2 0 C; pri pritisku od 210MPa voda ostaje u tečnom stanju na temperaturi od C) -zaleđene stene imaju drugačija svojstva u odnosu na nezaleđene; nastaju nove strukture stena masivna, sočivasta i ćelijasta

9 DEJSTVO NISKIH TEMPERATURA (MRAZA) NA STENE - u zoni dubine dejstva mraza 0,8 1m formiraju se ledena sočiva u glinenim stenama, kada dolazi do oštećenja kod plitko fundiranih objekata, puteva, aerodromskih pista -pri leđenju nastaju kristalizacione sile koje izazivaju kretanje vodenih kapi u područje već formiranih ledenih sočiva (klinova), čime se stalno povećava zapremina ledenih sočiva; ovo je naročito izraženo u stenama sa pojavom kapilarnog penjanja; deformacije koje pri tome nastaju mogu iznositi i do 30-50cm - rastresite stene sa veličinom zrna > 0,02mm imaju malu visinu kapilarnog penjenja, a čestice veličine < 0,002mm imaju sporo kapilarno penjanje, te su stene sa veličinom zrna 0,02 0,002mm podložne štetnom delovanju mraza -zaleđene glinene stene pri otkravljivaju u površinskom delu terena pretvaraju se u kašastu presićenu masu, bez ikakve čvrstoće, ispod koje se nalazi zaleđeni vodonepropustljivi sloj - šljunak i pesak nisu opasni na delovanje mraza, kao ni dobro zbijene malo vodopropusne gline

10 DEJSTVO NISKIH TEMPERATURA (MRAZA) NA STENE - ispitivanje prašinasto-glinovitih stena u pogledu postojanosti na mrazu vrši se na osnovu sadržaja čestica <0,002mm - po kriterijumu Kasagrandea: - tlo ravnomernog sastava (U < 5) opasno je na mrazu ako sadrži > 10% zrna veličine < 0,02mm - tlo neravnomernog sastava (U > 15) opasno je na mrazu ako sadrži > 3% zrna veličine <0,002mm - Ruklijev kriterijum:

11 TOPLOTNA SVOJSTVA - zaštitne mere zbog štetnog delovanja mraza su: dreniranje terena oko objekata i izrada tamponskog sloja od krupnozrnog peska i peskovitog šljunka, čijajeulogada prekine kapilarno penjanje vode prema zoni dejstva mraza (dovoljna debljina tampona od 30cm) DEJSTVO VISOKIH TEMPERATURA NA STENE -većina stena izloženih temperaturi do C ne trpi nikakve promene - na visokim temperaturama postojanije su monomineralne od polimineralnih stena, kao i jedre i sitnozrnije od poroznih i krupnozrnijih stena - na visokim temperaturama postojani su kvarciti, kvarcni peščari, plovućac, gline, dijatomejska zemlja, serpentiniti, i dr. - na temperaturama C neotporne su izlivne magmatske stene sa staklastom osnovnom masom, vulkanska stakla, rožnaci, gipsiti

12 PROVODLJIVOST ZVUKA - sposobnost stena da kroz svoju masu bolje ili lošije provode zvuk - zavisi od strukture, teksture i poroznosti stena Brzina prostiranja talasa na uzorcima gnajsa pregradnog mesta brane,,prvonek Oznaka pravca merenja paralelno škriljavosti upravno na škriljavost Brzina prostiranja talasa V p (m s) V s (m s) minimalna maksimalna srednja minimalna maksimalna srednja

13 PROVODLJIVOST ZVUKA U laboratoriji, provodljivost zvuka se ispituje na uzorcima Brzina prostiranja talasa dobija se prema obrascu: V p L t p V s L t s (m,s)

14 PROVODLJIVOST ZVUKA - vrednosti brzina prostiranja talasa dobijene na uzorcima znatno su veće od vrednosti dobijenih na terenu -značaj poznavanja provodljivosti zvuka je veliki kod odabira stena u zgradarstvu za pregradne zidove koriste se stene sa manjom brzinom prostiranja talasa (stene velike poroznosti, npr. bigar) ELEKTRIČNA PROVODLJIVOST - sposobnost stena da kroz svoju masu provode struju - zavisi od mineralnog sastava (specifičnog električnog otpora pojedinih minerala), strukture i teksture, poroznosti, vlažnosti, raspadnutosti, količine elektrolita u pornoj vodi i temperature - elektronska provodljivost u stenama koje sadrže metalične minerale - elektrolitička provodljivost u stenama sa sadržajem vode u porama

15 ELEKTRIČNA PROVODLJIVOST - dielektrična provodljivost u stenama koje su slabi provodnici ili izolatori; pod uticajem spoljašnjeg električnog polja, elektroni se u atomima neznatno pomeraju u odnosu na jezgro atoma - povećanjem temperature stene povećava se njena elektroprovodljivost, dok se smanjenjem temperature i leđenjem vode u porama smanjuje elektroprovodljivsot -električna provodljivost stena kvantitativno se izražava specifičnom električnom provodljivošću: L R A (1/Ωm) a njena recipročna vrednost predstavlja specifičnu električnu otpornost: 1 - stene sa specifičnom električnom otpornošću ρ < 10-5 Ωm su električni provodnici, a stene sa sa specifičnom električnom otpornošću ρ > 10 7 Ωm su električni izolatori (Ωm)

16 ELEKTRIČNA PROVODLJIVOST Vrsta stene Specifična elektrilna otpornost ( Ωm) Granit Diorit Dacit Dijabaz Gabro Grafitični škriljac Krečnjak Peščar 1,0-6, Argilošist Glina Pesak 1-800

17 MAGNETIČNOST - sposobnost stena da mogu delovati na Zemljino magnetno polje - zavisi od mineralnog sastava, tj. sadržaja akcesornih feromagnetskih mineralamagnetita, hromita, pirotina, serpentina, hematita, i dr. - prema ponašanju u magnetnom polju, stene se dele na: - dijamagnetične stene kod kojih se pod uticajem spoljašnjeg magnetnog polja stvara polje suprotnog znaka (odbijajuće) kamena so, kreda, krečnjak - paramagnetične stene kod kojih se pod uticajem spoljašnjeg magnetnog polja stvara polje istog znaka (privlačno) većina stena - feromagnetične stene koje su prirodni magneti (ruda gvožđa) - magnetičnost stena se izražava magnetskim susceptibilitetom, kao odnosom χ između intenziteta magnetizacije koji je stena primila I i intenziteta spoljašnjeg (dejstvujućeg) magnetnog polja H: χ = I / H

18 MAGNETIČNOST Vrsta stene Magnetni susceptibilitet ( x10 6 ) Granit Bazalt Peščar Krečnjak 1-20 Glina Gnajs Serpentinit Kvarcit, gvožđeviti Škriljac, magnetičan

19 RADIOAKTIVNOST - svojstvo stena koje sadrže minerale sa elementima koji pri raspadanju emituju α čestice (jezgra atoma helijuma), β čestice (elektrone) i γ zrake (elektromagnetski talasi) - zavisi samo od sadržaja radioaktivnih minerala -većina radioaktivnih elemenata u prirodi pripadaju jednom od tri niza: - familija uran-aktinijum 92 U familija uran-radijum 92 U familija torijum 90 Th njihov krajnji produkt raspadanja je neradioaktivno olovo 82 Pb osim navedenih elemenata, u radioaktivne spadaju i kalijum i rubidijum - najpoznatiji mineral urana je uraninit (UO 2 ), a torijuma torit (ThSiO 4 )

20 RADIOAKTIVNOST vrsta stene starost uran (ppm) torijum (ppm) kalijum (ppm) Andezit 2,9615 9,7230 1,4626 Dacit Tercijar 6, ,782 2,9524 Granodiorit 7, ,9464 2,5160 Peridotit Jura 0,1107 0,1754 0,0282 Gabro Paleozoik 0,0771 0,0204 0,0268 Granit Proterozoik 5,3229 8,3637 2,2622 Raspadnuta Tercijar 2,7683 8,9942 1,5880 glina Sveža glina 6,1799 5,8075 0,8951 Krečnjak Kreda 0,3055 0,8379 0,1406 Peščar 1,5759 4,1237 0,9297 Krečnjak Jura 1,4217 0,0000 0,0601 Alevrolit Trijas 2, ,4049 1,9079 Mermer Paleozoik 0,6963 0,1652 0,1356 Kvarcit 0,3434 0,7202 0,2545 Škriljac Proterozoik 0,2878 0,5007 0,0377

21 RADIOAKTIVNOST - sa inženjerskog gledišta značajno je ponašanje stena izloženih zračenju, kada dolazi do pojave indukovane radioaktivnosti - za tehničku primenu stena važna je i njihova zaštitna sposobnost od radijacije; stena debljine oko 30cm apsorbuje oko 99% gama zračenja iz uranijumovog niza; delovanjem radijacije najduže,,inificirani ostaju karstni tereni, tereni izgrađeni od škriljaca i magmatskih stena, dok se najslabije zagađuju tereni od glina - debljina stene ili materijala koja smanjuje intenzitet gama-zračenja na polovinu u odnosu na onu koja bi bila primljena bez zaštite naziva se poludebljinom Vrsta materijala, stena Zapreminska težina (kn/m 3 ) Poludebljina (cm) Olovo 113 2,00 Čelik 78 2,80 Beton 24 10,00 Voda 10 23,00 Drvo 0,7 30,00 Sneg 0,4 57,00 Granit 27 8,50 Gabro 29 7,90 Peridotit 28 8,2 Dacit 25 9,20 Bazalt 28 8,20 Vulkanski tuf 19 12,00 Krečnjak 25 9,20 Peščar 21 11,00 Bigar 12 19,20 Glina 16 14,30 Ugalj 13 17,7 Mermer 25 9,20 Škriljci 20 11,50 Šljunak 19 12,00 (drobina) Les 18 12,70 Treset 12 19,20

22 KRAJ III PREDAVANJA