UDK 691.215(497.6):539.53:620.178.1 ISSN 1580-2949 Izvirni znanstveni članek MATER. TEHNOL. 34(1-2)065(2000) V. KRAJNC ET AL.: MIKROTRDOTA NEKATERIH SLOVENSKIH APNENCEV MIKROTRDOTA NEKATERIH SLOVENSKIH APNENCEV MICROHARDNESS OF SOME SLOVENIAN LIMESTONE Vesna Krajnc, Simona Jarc, Breda Mirtič NTF Oddelek za geologijo, Ljubljana, Slovenija Prejem rokopisa - received: 1999-11-22; sprejem za objavo - accepted for publication: 1999-12-20 Propadanje naravnega kamna po vgrajevanju je aktualna tema v tujini kot tudi pri nas. Naravni kamen propada ali prepereva zaradi vremenskih razmer, ki jim je izpostavljen. Pri tem se kamnina topi, spreminja se njena mineralna sestava, trdnost, trdota, odsevna sposobnost polirane površine in druge karakteristike. Seveda je vse to odvisno od okolja, v katerem se kamnina nahaja. V slovenskih razmerah propadanje naravnega kamna še ni preiskano. V našo preiskavo so bili zajeti apnenci iz različnih slovenskih nahajališč: Hotavlje, Lipica I, Lipica II in Doline. Ti so: zgornjetriasna apnenca z intrabiomikrosparitno strukturo, zgornjekredna apnenca z biomikritno strukturo in zgornjekredni apnenec z mešano strukturo, od biomikritne do biosparitne. Preperevanje v naravnih okoljih smo v laboratorijusimulirali tako, da smo vzorce, namočene v destilirani vodi ali vodni raztopini soli, izmenično ogrevali in ohlajali. Rezultati merjenja mikrotrdote kažejo, da na trdoto apnenca vpliva njegova struktura. Trdota se spreminja s časom preperevanja. Ključne besede: apnenec, mikrotrdota, kalcit, preperevanje Natural stone decays because of the contact with the atmospheric effects. Different changes occur: leaching of the rock, changing of the mineral composition, hardness, strenght and reflectance of the polished stone surface. Investigation of limestone from different Slovenian deposits were made. Upper Triassic limestones with intrabiomicrite to intrabiosparite structure, Upper Cretaceous limestones with biomicrite structure and Upper Cretaceous limestone with structure from biomicrite to biosparite were used. Weathering at the atmospheric conditions was simulated in the laboratory. Wetting of samples in the water or in the water solution of different salts was made at the different temperatures. Results of the microhardness measurements proved that the hardness of the limestone depends on the structure of the limestone. Furthermore, the structure of the limestone changes according to the duration of the weathering, as well. Key words: limestone, microhardness, calcite, weathering 1 UVOD Trdota oziroma mikrotrdota je odpor materiala proti delovanjumehanske sile na njegovo površino. Ugotavljamo jo na različne načine in jo tudi različno izražamo. Pri merjenju trdote ne uničimo preizkušanca. Približno lahko ugotavljamo trdoto s primerjalno Mohsovo trdotno lestvico, po kateri določamo trdoto z razo. Točno pa merimo trdoto na različne načine. Najpo-gostejša so merjenja trdote po Brinellu(HB), po Rockwellu(HRc in HRb) in po Vickersu(HV). Vrednosti, ki jih dobimo s temi tremi metodami, niso absolutno primerljive.1 Med preperevanjem kamnine prvotni minerali razpadejo, se topijo in s tem se povečuje poroznost kamnine. Lahko pa namesto njih nastajajo novi minerali, ki imajo navadno manjšo trdoto. Povečana poroznost zmanjšuje odpor kamnine proti delovanju mehanske sile. Trdota naravnega kamna se spreminja v odvisnosti od stopnje, do katere je kamnina preperela. V članku predstavljamo rezultate preskusa pospe-šenega staranja nekaterih karbonatnih kamnin, ki se v slovenskem prostoruuporabljajo kot naravni kamen, pri katerem smo določali stopnjo preperevanja kamnine tako, da smo merili spremembo mikrotrdote na poliranih površinah preizkušancev. 2 OPIS VZORCEV Preskusu pospešenega staranja so bili izpostavljeni vzorci naslednjih karbonatnih kamnin: – rožnati apnenec iz Hotavelj, zgornjetriasne starosti z intrabiomikrosparitno strukturo (Hr) – sivi apnenec iz Hotavelj, zgornjetriasne starosti z intrabiomikrosparitno strukturo (Hs) Slika 1: Enotni lipiški apnenec z dobro spolirano površino Figure 1: Lipica unito limestone with good polished surface MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2 65 V. KRAJNC ET AL.: MIKROTRDOTA NEKATERIH SLOVENSKIH APNENCEV Slika 2: Rožasti lipiški apnenec z vidnimi razami, ki so nastale pri poliranju Figure 2: Lipica fiorito limestone with visible scratches, arised by polishing – rožasti (fiorito) apnenec iz Lipice I, zgornjekredne starosti z biomikritno strukturo (Lf) – enotni (unito) apnenec iz Lipice II, zgornjekredne starosti z biomikritno strukturo (Lu) – apnenec iz Dolin, zgornjekredne starosti od bio-mikritne do biosparitne strukture (D). Za vsako vrsto apnenca smo izdelali po osem vzorcev v obliki poliranega obrusa velikosti 5x5x1,5 cm (Slika 1, 2). 3 OPIS METODE STARANJA VZORCEV Vzorce smo starali po modificirani metodi mokrega preskusa2. Del vzorcev je bil ves čas staranja potopljen v destilirani vodi, drugi del v vodni raztopini NaCl, tretji del pa v vodni raztopini Na2SO4. Raztopine so bile pri 20°C nasičene. Pri tem so bili vzorci 10 minut na temperaturi 70°C in nato pet minut na 20°C. Za eno leto staranja je bilo treba preskus ponoviti 366-krat. Slika 3: Odtis diamantne konice na rožastem lipiškem apnencu Figure 3: Indentation of diamond indenter on Lipica fiorito limestone 66 Mikrotrdoto vzorcev smo merili pred pričetkom staranja, po enem letuin po dveh letih. 4 MERJENJE MIKROTRDOTE Najbolj znana naprava za določanje mikrotrdote je durimet, znamke Leitz. V polirano površino posameznega minerala vtisnemo z določeno silo diamantno piramido, ki ima lahko različne oblike. Obremenitev piramide lahko spreminjamo, pri tem pa merimo in opazujemo velikost odtiska. Tako merimo dejanski odpor, ki ga daje mineral pri plastični deformaciji. Paziti moramo, da je površina vzorca gladka, brez por, luknjic in razpok ter da izbrano mesto ne leži neposredno ob meji z drugim mineralom. Meritve ponovimo vsaj petkrat na različnih mestih opazovanega zrna ter nato še petkrat na drugem zrnu istega minerala. Izmerimo dolžino obeh diagonal in izračunamo srednjo vrednost (Slika 3). Ker poznamo maso uporabljene uteži in dolžino diagonale, lahko izračunamo Vickersovo trdoto po formuli3: VT = 1854,4 ? t ? d-2, kjer je t masa v gramih, d pa dolžina diagonale v mikrometrih. 5 REZULTATI IN DISKUSIJA Trdoto smo določali in izračunavali po Vickersu. Na vsakem vzorcusmo meritev ponovili desetkrat. V preglednici 1 so podani rezultati merjenja mikrotrdote vzorcev pred začetkom staranja kamnine in po enoletnem staranju. Pri vzorcih, ki so bili starani v destilirani vodi, se površina ni spremenila do te mere, da meritev mikrotrdote ne bi bila mogoča. Pri drugih vzorcih, ki so bili starani v raztopinah soli NaCl in Na2SO4, pa merjenje že po enem letuni bilo več možno. Po dveh letih staranja je bila površina vseh preizkušancev tako poškodovana, da nismo mogli meriti mikrotrdote celo na vzorcih, staranih v destilirani vodi. Preglednica 1: Mikrotrdota uporabljenih vzorcev naravnega kamna pred začetkom staranja in po enoletnem staranju Hr Hs D Lu Lf HS0 136, 9 133,6 142,6 137,4 125,1 ±2(5 28 33 18 19 20 HS1 124,7 125,4 134,4 139,2 125,2 ±2(5 18 21 23 12 19 A,% 8,9 6,1 5,8 -1,3 -0,1 Legenda: HS0 = mikrotrdota vzorcev, HV pred začetkom staranja HS1 = mikrotrdota vzorcev, HV po enem letustaranja v destilirani vodi G = standardna deviacija A, % = sprememba trdote, izražena v odstotkih. Iz rezultatov je razvidno, da preperevanje vpliva na trdoto apnenca. V večini primerov se trdota s časom MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2 V. KRAJNC ET AL.: MIKROTRDOTA NEKATERIH SLOVENSKIH APNENCEV Slika 4: Apnenec iz kamnoloma Doline pred začetkom staranja Figure 4: Limestone from Doline stone-pit before starting fatigue test znižuje. V primeru enotnega in rožastega lipiškega apnenca lahko iz preglednice razberemo, da se je trdota povečala. Vendar je sprememba znotraj natančnosti meritve. Kamnine, ki smo jih uporabili, so zelo čisti apnenci, ki jih sestavlja mineral kalcit. Količina CaCO3 (ali CaO) je okrog 99%, od 96% za hotaveljski apnenec do 98% za lipiškega. Kristali kalcita so lahko veliki nekaj µm do nekaj deset µm. Velikost kristalov kalcita določa strukturo apnenca. Tako imata rožnati in sivi hotaveljski apnenec intrabiomikrosparitno strukturo, enotni in rožasti lipiški apnenec biomikritno, apnenec iz Dolin pa mešano strukturo, od biomikritne do biosparitne. Kristali se med ogrevanjem in ohlajanjem (med preskusom) širijo in krčijo. Večji kristali povzročijo večji raztezek. Za kalcit je značilen anizotropni raztezek (Preglednica 2). Slika 5: Apnenec iz kamnoloma Doline po enem letustaranja v destilirani vodi Figure 5: Limestone from Doline stone-pit after first year of the fatigue test in distilled water MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2 Preglednica 2: Linearni raztezek kalcita4 mineral linearni raztezek % kalcit 1 c lic 0,189 -0,042 Zaradi temperaturnih nihanj se vezi med kristali rahljajo, zato posamezni kristali izpadejo, kar je glavni vzrok za izgubo mase preizkušanca (Preglednica 3). Preglednica 3: Sprememba mase vzorcev naravnega kamna pred staranjem in po enoletnem staranjuv destilirani vodi vz/m Hr Hs D LuLf nio 137,1234 107,8308 126,0462 115,0840 125,4979 mi 137,1121 107,8203 126,0325 115,0697 125,4846 A, % 0,0082 0,0097 0,0108 0,0124 0,0106 Legenda: vz = vzorci m = masa v g m0 = začetna masa vzorcev pred staranjem v destilirani vodi m1 = masa vzorcev po enem letustaranja v destilirani vodi ?, % = sprememba mase, izražena v odstotkih. Površina kamnine postane porozna in hrapava, kar je makroskopsko vidno kot izguba sijaja. Povečana poroznost povzroči tudi znižanje trdote. Na trdoto pa vplivajo tudi vključki v kamnini, ki se med staranjem spreminjajo ali topijo. Soli v raztopini pospešujejo izpadanje zrn kalcita iz kamnine. Kristali kalcita se v tekočem medijumed staranjem topijo. Po enem letuse je iz apnencev, staranih v destilirani vodi, izlužilo do nekaj tisočink odstotkov kalcija, zato se prav tako povečuje poroznost kamnine in znižuje trdota (Slika 4, 5, 6). Slika 6: Apnenec iz kamnoloma Doline po enem letustaranja v raztopini NaCl Figure 6: Limestone from Doline stone-pit after first year of the fatigue test in NaCl solution 67 V. KRAJNC ET AL.: MIKROTRDOTA NEKATERIH SLOVENSKIH APNENCEV 6 SKLEP Uporabljen preskus pospešenega staranja kamnin upošteva naslednje lastnosti, ki povzročijo propadanje kamnine: – minerali, ki sestavljajo kamnino, se topijo v vodi oz. v vodnih raztopinah soli – minerali se zaradi izmeničnega ogrevanja in ohlajanja v temperaturnem območju, ki je značilno za naše klimatske razmere, krčijo in širijo v tolikšni meri, da prihaja do mehanskega razpadanja kamnine kot posledice slabljenja stikov med mineralnimi zrni – soli v raztopini pospešujejo mehansko propadanje kamnine. Naštete posledice staranja povzročajo izgubo mase in zniževanje trdote preizkušanca. Že po enem letupospešenega staranja se trdota apnenca zmanjša v povprečjuza 5%, čeprav je pov-prečna izgube mase pri tem komaj 0,01 mas.%. 7 LITERATURA 1 Enciklopedija tehnike, Cankarjeva založba. Ljubljana, 1983, 487 2 L. Aires-Barros, Experiments on thermal fatigue of non-igneous rocks, Engineering Geology 11. Amsterdam, 1977, 227 3 M. Drovenik, Microscopy of ores and coals. 1st part: Microscopy of ores, Ljubljana, 1978, 136 4 N. Bilbija, Technical petrography - properties and use of stone, Naučna knjiga. Beograd, 1984, 47 68 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2