Resistance of selected Carpathian sandstones to salt crystallization and the changes of their microstructures
 
More details
Hide details
 
Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 2010;26(1):37–59
 
KEYWORDS
ABSTRACT
Sandstones occurring in many localities in the Carpathians have been quarried for ages and applied to constructing, particularly in the Małopolska region, as building and decorative rocks. Utilization of specific types of sandstones is controlled essentially by such their properties as colour, grain-size distribution, a possibility of quarrying without serious technical problems quarrying and obtaining large blocks. Diversified lithological development of sandstones results in the differentiation of their physical and mechanical parameters and, consequently, decides about variable resistance to the action of damaging factors and, thus, controls their application in the building sector. Crystallization of salts is one of these factors as it may sometimes lead to a total destruction of the stone. This process is particularly intensified in the strongly contaminated environment of urban agglomerations. The authors have determined the open porosity according to the PN-EN 1936: 2001 standard and the resistance to salt crystallization according to the PN-EN 12370: 2001 standard of the Carpathian sandstone types most often applied to building purposes, namely the Lgota, Godula, Istebna, Ciężkowice, Magura and Krosno sandstones. Having the tests completed, microstructural changes of the rocks were investigated in the scanning electron microscope (SEM). The observations were made on two sample series: one included the rocks after 15 cycles of impregnating with the 14% water solution of Na2SO4 and drying, the other represented the rocks additionally rinsed with water after the impregnation. It has been established that the sandstones are characterized by variable sizes of pores and the open porosity in the range 2.9-12.8%, resulting from the diversified content and type of rock cement. In the process of salt crystallization, the first to be filled are larger pores, then the smaller ones. The main cause of rock destruction is the stress developed in the rocks due to crystallization of hydrated and ahhydrous sodium sulphates (mirabilite/thenardite). The SEM observations have proved that it is not the value of their open porosity which decides on the resistance of the sandstones to salt crystallization, but it is the type of the rock cement and the way in which the cement fills intergranular spaces of the sandstones. This finding refers both to the rocks of considerable open porosity and to those with their porosity values below 5%; in the case of the latter it is particularly important as the tests for salt crystallization are not stipulated by the standards. The most salt-resistant are Magura and Ciężkowice sandstones, whose cement is dominated by carbonate minerals and silica. A substantial resistance is also revealed by Lgota sandstones, in which the siliceous cement, although scarce, rather strongly binds the grain framework. The Istebna sandstone samples disintegrated in the tests, as they have practically no resistance because of their low content of cement, in which clay minerals prevail. Disintegration also affected the Godula sandstone samples, despite their showing a slightly higher content of siliceous-clay cement.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Odporność wybranych piaskowców karpackich na krystalizację soli i zmiany ich mikrostruktur
piaskowce karpackie, ciśnienie krystalizacyjne soli, mikrostruktury skał
Piaskowce występujące w licznych kamieniołomach na obszarze Karpat wydobywane są od stuleci i stosowane w budownictwie zwłaszcza Małopolski, jako skała budowlana i dekoracyjna. O zastosowaniu poszczególnych odmian piaskowców decydują w pierwszym rzędzie cechy skały takie jak: barwa, uziarnienie oraz możliwość łatwego wydobycia i pozyskania dużych bloków. Różnorodne wykształcenie litologiczne piaskowców wpływa na zróżnicowanie ich parametrów fizyczno-mechanicznych, co w konsekwencji decyduje o zmiennej odporności na oddziaływanie czynników niszczących i możliwości ich stosowania w budownictwie. Wśród nich istotne znaczenie ma krystalizacja soli, prowadząca niejednokrotnie do całkowitej deterioracji kamienia. Proces ten zachodzi szczególnie intensywnie w silnie zanieczyszczonym środowisku aglomeracji miejskiej. W niniejszej pracy dla najczęściej stosowanych w budownictwie różnorodnych piaskowców karpackich: lgockich, godulskich, istebniańskich, ciężkowickich, magurskich i krośnieńskich, wyznaczono porowatość otwartą według normy PN-EN 1936: 2001 oraz określono odporność na krystalizację soli według PN-EN 12370: 2001. Po zakończonym badaniu dokonano w mikroskopie skaningowym obserwacji zmian mikrostrukturalnych piaskowców dwóch serii: jednej bezpośrednio po 15 cyklu nasączania i suszenia próbek oraz drugiej serii próbek dodatkowo przemytych wodą. Wykazano, że piaskowce cechują się zmienną wielkością porów oraz porowatością otwartą w zakresie 2,9-12,8%, co wynika ze zróżnicowanego udziału i rodzaju spoiwa.W trakcie krystalizacji najpierw zapełniane są pory większe, a następnie mniejsze. Stwierdzono, że główną przyczyną rozpadu są naprężenia zachodzące w piaskowcach, powstające na skutek krystalizacji formy uwodnionej (mirabilitu). Obserwacje mikroskopowe wykazały, że czynnikiem decydującym o odporności piaskowców na działanie soli nie jest wartość ich porowatości otwartej, ale rodzaj występującego w nich spoiwa i sposób zabudowy przez nie przestrzeni międzyziarnowej. Dotyczy to zarówno próbek posiadających dużą porowatość otwartą, jak też o porowatości poniżej 5%, dla których nie ma wymogu badania odporności na krystalizację soli. Stwierdzono, że najbardziej odporne są piaskowce magurskie i ciężkowickie, w spoiwie których dominują składniki węglanowe i krzemionka. Równie odporne są piaskowce lgockie, w których cement krzemionkowy, mimo niewielkiego udziału, dość mocno wiąże składniki ziarniste. Całkowity brak odporności wyrażony rozpadem próbek posiadają natomiast piaskowce istebniańskie z uwagi na niewielki udział spoiwa, w którym dominują minerały ilaste. Zniszczeniu uległy również próbki piaskowców godulskich, pomimo iż zawierają nieco większą ilość spoiwa krzemionkowo-ilastego.
 
REFERENCES (23)
1.
Benavente D., Garcíadel Cura M.A., García-Guinea J., Sánchez-Moral S., Ordóñez S., 2004 - Role of pore structure in salt crystallisation in unsaturated porous stone. Journal of Crystal Growth 260, 532-544.
 
2.
Bromowicz J., Gucik S., Magiera J., Moroz-Kopczyńska M., Nowak T.W., Peszat C., 1976 - Piaskowce karpackie, ich znaczenie surowcowe i perspektywy wykorzystania. Zesz. Nauk. AGH, Geologia, 2, 2, 47-49.
 
3.
Bromowicz J., 1992 - Basen sedymentacyjny i obszary źródłowe piaskowców magurskich. Zesz. Nauk. AGH, Geologia 54, 1-120.
 
4.
Bromowicz J., 1995 - Przewodnik sesji terenowej, punkt 3 - Kamionka Wielka. [W:] Geologiczne i geofizyczne badania podstawowe w poszukiwaniach, rozpoznawaniu i ocenie złóż surowców skalnych. Materiały Konf. Nauk. Krynica 28-30 września, 267-268.
 
5.
Gmelin L., 1966 - Handbuch der anorganischen chemie.Aufl. NatriumErg.Bd. 3, VerlagChemie,Weinheim.
 
6.
Kamieński M., Peszat C., Rutkowski J., Skoczylas-Ciszewska K., 1968 - O wykształceniu i własnościach technicznych piaskowców godulskich. Zesz. Nauk. AGH, Geologia 12, 1-85.
 
7.
Naruse H., Tanaka K., Morikawa H., Marumo F., 1987 - Structure of Na2SO4 (I) at 693 K. Acta Crystallogr, Sect B 43, 143-146.
 
8.
Nowak T.W., 1979 - Dokumentacja geologiczna złoża piaskowców magurskich Barcice z zasobami w kat. B. Archiwum PG, Kraków.
 
9.
Oszczypko N., 1992 - Rozwój basenu magurskiego w górnej kredzie i paleogenie. Przegl. Geol. 7, 397-404.
 
10.
Peszat C., Buczek-Pułka M., 1984 - Zmienność właściwości fizyczno-mechanicznych budowlanych piaskowców istebniańskich obszaru Karpat. Zesz. Nauk. AGH, Geologia 10, 5-34.
 
11.
PN-EN 1936: 2001 - Metody badań kamienia naturalnego. Oznaczanie gęstości i gęstości objętościowej oraz całkowitej i otwartej porowatości.
 
12.
PN-EN 12370: 2001 - Metody badań kamienia naturalnego. Oznaczanie odporności na krystalizację soli.
 
13.
Rembiś M., Smoleńska A., 1998 - Wpływ antropogenicznych zanieczyszczeń atmosfery na zmiany skał użytych do budowy wybranych obiektów zabytkowych Krakowa. Biul. Inform. Konserwatorów Dzieł Sztuki 9, 3, (34), 30-37.
 
14.
Rodriguez-Navarro C., Doehne E., Sebastian E., 2000 - How does sodium sulfate crystallize? Implications for the decay and testing of building materials. Cement and Concrete Research 30, 1527-1534.
 
15.
Słaby E., Galbarczyk-Gąsiorowska L., Trzciński J., Górka H., Łukaszewski P., Dobrowolska A., 2001 - Mechanizm rozpadu piaskowców wywołany krystalizacją soli. Przegl. Geol. 49, 2, 124-133.
 
16.
Smoleńska A., Rembiś M., 1999 - Zmiany mikrostrukturalne wapieni jurajskich, użytych w wybranych obiektach zabytkowych, jako efekt antropogenicznych zanieczyszczeń atmosfery. Ochrona Zabytków 1, 34-38.
 
17.
Sperling C.H.B., Cooke R.U., 1985 - Laboratory simulation of rock weathering by salt crystallization and hydration processes in hot, arid environments. Earth Surf Processes Landforms 10, 541555.
 
18.
Steiger M., Asmussen S., 2008 - Crystallization of sodium sulfate phases in porous materials: The phase diagram Na2SO4-H2O and the generation of stress. Geochimica et Cosmochimica Acta 72, 4291-4306.
 
19.
Sunagawa I., 1981 - Characteristics of crystal growth in nature as seen from the morphology of mineral crystals. Bull. Miner. 104, 81-87.
 
20.
Tsui N., Flatt R.J., Scherer G.W., 2003 - Crystallization damage by sodium sulfate. Journal of Cultural Heritage 4, 109-115.
 
21.
Wilczyńska-Michalik W., 2004 - Influence of atmospheric pollution on the weathering of Stones in Cracow monuments and rock outcrops in Cracow-Częstochowa Upland and the Carpathians. Wyd. Nauk. Akad. Pedag., Kraków, 247.
 
22.
Winkler E.M., Wilhelm E.J., 1970 - Salt burst by hydration pressures in architectural stones in urban athmosphere. Geol. Soc. Amer. Bull. 81, 567-572.
 
23.
Zehnder K., Arnold A., 1989 -Crystal growth in salt efflorescence. Journal of CrystalGrowth 97, 513-521.
 
eISSN:2299-2324
ISSN:0860-0953