Influence of heat on the physical and mechanical properties of selected rock types

Abstract

Impelled by the increase in the number of tunnel fires in the last decade alone, widespread attention has been drawn towards tunnel fire safety studies. Many of these firesoccurred in road and railway tunnels involving vehicles and trains. These fire incidentshave claimed lives, caused structural damages to the tunnel infrastructure and eveneconomic losses to the government, businesses and communities concerned.When there is a fire in a tunnel, the temperature inside the tunnel increases rapidly tomagnitudes as high as 1500°C. At such high temperatures costly damages to the tunnelstructure is inevitable. Having an understanding of the detrimental effects of such hightemperatures is essential and valuable when carrying out preliminary assessment of thetype and extent of damage in the tunnel. This would in turn provide useful informationin determining the appropriate remedial measures required to make the tunnel safe andusable again in the aftermath of a tunnel fire.In most tunnel fire safety studies, the focus has been on the behaviour of concrete, sinceof course concrete is one of the major support elements in tunnels. However, in severalcases, such as in Scandinavia for example, where the rock mass is competent enough tosupport itself often only a thin layer of shotcrete is used. In such cases the rock will befully exposed to heat a short time after a a fire is fully developed. In this case, whether itis prevention or maintenance of the tunnel, it would require knowledge on the effect ofelevated heat on the rock mass. Hence, it is line with this thinking that a study wasinitiated by the Swedish Transport Administration, (Trafikverket), SvenskKärnbränslehantering AB, SKB, Vattenfall AB, BeFo and Formas to study the effect ofheat on the physical and mechanical properties of some common rock types, and hencethe focus of this study.This study presents the results of a series of laboratory studies which was carried out toinvestigate the effect of heat on the physical and mechanical properties of selected rocktypes, namely; diabase, granite and schist. Samples from these rock types were heattreated at temperature levels of 400°C, 750°C and 1100°C, before investigating theirmechanical and physical properties through mechanical testing and microscopicinvestigations of thin sections. Because the effect of heat on rock can be affected by theheating rate and exposure time, the tests were conducted under controlled conditions in order to avoid significant variation in the results. The results clearly show that the rocktypes behave differently at different temperature levels, which tend to depend on themineral composition and micro crack distribution. As the temperature increases the rockforming minerals undergo changes in their chemical structure thus causing them to alterfrom the original phase they had existed in. With these phase changes different reactionstook place such as re-crystallization, the loss of crystal bound water, thermal expansionand micro cracking of mineral grains as well as the development of voids. Thesemicroscopic changes were manifested in the macro-scale by the variations observed inthe behaviour of strength and stiffness of the samples in the mechanical tests.Ökningen av antalet tunnelbränder under det senaste 10 åren har medfört ökat intresse för studier av säkerheten vid tunnelbränder. Många av bränderna inträffade i väg- och järnvägstunnlar och krävde människoliv. De flesta orsakade dessutom strukturella skador på tunnlarna och infrastrukturen och även ekonomiska förluster. När en brand uppstår i en tunnel, ökar temperaturen i tunneln snabbt och kan nå temperaturer upp mot 1500°C. Vid sådana höga temperaturer är kostsamma skador på tunneln oundviklig. En förståelse för de skadliga effekterna av sådana höga temperaturer är viktig och värdefull när man utför preliminär bedömning av typ och omfattning av skadorna i tunneln. Detta ger användbar information för att bestämma lämpliga åtgärder för att göra tunneln säker och användbar igen efter en tunnelbrand.I de flesta studier av tunnelsäkerhet vid tunnelbränder har fokus legat på betongens beteende, eftersom betong är en av de viktigaste bergförstärkningselementet i tunnlar. Men i flera fall, till exempel i Skandinavien, där bergmassan är kompetent, används ofta endast ett tunt lager av sprutbetong i kombination men bergbultar. I sådana fall, kommer berget att vara helt exponerat för värme en kort tid efter det att branden är fullt utvecklad. Det är därför nödvändigt att öka förståelsen för hur bergmassan reagerar på uppvärmning till höga temperaturnivåer. En studie av bergmekaniska konsekvenser av tunnelbränder initierades därför med stöd av Trafikverket (Banverket), SKB, Vattenfall AB, BeFo och Formas.Denna studie presenterar resultaten av en serie laboratorieförsök som genomfördes för att undersöka effekten av värme på de fysikaliska och mekaniska egenskaperna hos utvalda bergarter, nämligen, diabas, granit och kvartsitisk skiffer. Prover från dessa bergarter värmebehandlades vid temperaturnivåerna 400° , 750°C och 1100°C. Därefter fock proverna svalna. Deras mekaniska och fysikaliska egenskaper bestämdes med hjälp av bergmekaniska tester och mikroskopiundersökningar av tunnslipprover. Eftersom effekten av värme på bergarter kan påverkas av uppvärmningshastigheten och exponeringstiden, utfördes testerna under kontrollerade förhållanden, d v s samma uppvärmninshastighet och avsvalningsmetod samt samma exponeringstid på varje nivå. Resultaten visar tydligt att de studerade bergarterna beter sig olika vid olika temperaturnivåer. Detta beror på olikheter i mineralsammansättning samt mikrouppsprickning. När temperaturen ökar, genomgår vissa mineraler förändringar i sin kemiska struktur, vilket får dem att omvandlas från sin ursprungliga fas. Vid dessa fasförändringar sker olika reaktioner som rekristallisation, förlust av kristallbundet vatten, värmeexpansion och mikrosprickbildning av mineralkorn samt utveckling av hålrum. Dessa mikroskopiska förändringar visar sig i makroskalan genom de variationer som iakttas i hållfasthetens och elasticitetsmodulens beteendet.Godkänd; 2012; 20120328 (ysko