Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Degradation of rock and shotcrete due to ice pressure and frost shattering
Luleå tekniska universitet.
2006 (English)Report (Other academic)
Abstract [en]

In the past few years Banverket has observed an increase in the number of incidences involving fall outs of shotcrete and rock in railway tunnels. Several research projects were therefore initiated by Banverket. This project “Degradation of rock and shotcrete due to ice pressure and frost shattering” is one of them. The purpose of this report is to gather experience and information about how ice is formed and how ice pressure influences fault zones, cracks and the interface between rock and shotcrete. When water freezes, a 9% volumetric expansion occurs according to the phase transition into ice. This can exert a pressure on the adjacent material. If there is water in small openings such as pores or cracks that cannot allow for a 9% volume expansion, breakage of the adjacent material will occur. The volumetric expansion of water/ice can only be prevented by pressures of 207 MPa, which is the pressure melting point of ice. As a comparison, consider a rock with a tensile strength in the order of 10 MPa. This rock material cannot prevent the ice from forming. Therefore, in a saturated rock there will always be a breakage if the water is freezing in a confined space. If the pressure of ice exceeds the tensile strength of the adjacent material, the material will be damaged, and the degree of damage is besides other factors dependent on the degree of saturation of the rock. A partially saturated rock can resist breakage despite its low strength because the expansion of ice and distribution of pore water can occur in pores that were initially filled with air. A fully saturated rock however yields to frost action regardless of its strength, because it doesn’t have any free space, which is needed for the expansion. But the 9% volumetric expansion is not the only cause of frost shattering. Research shows that the frost action in rocks is the same as in soils when the rock has access to water during freezing. In soil, water is drawn towards the frozen fringe and causes ice lenses to grow. In a similar manner water tends to migrate in rock and causes growth of ice bodies inside pores or cracks. The water migration takes place due to the fact that a thin water film of adsorbed water occurs at the surface of mineral particles and it is in this water film that the water has the opportunity to migrate towards the frozen zones. Experimental work has shown that considerable amount of adsorbed water remains unfrozen at subfreezing temperatures not only in soils, but also in rocks. This encourages the migration. With continuous decrease of temperature, the adsorbed water in the water film starts to freeze and the part of unfrozen water is reduced. Thus with decreasing temperature the water film, which separates the ice from the solid particles become thinner. This reduces the permeability of the material and inhibits the water migration towards the frozen fringe. With further decreasing of the temperature the migration can stop and so also the growth of ice bodies. The water migration and thereby the ice growth is not only dependent upon access to water and freezing temperatures, but also on the freezing rate and duration. If the rock is exposed to a rapid freezing rate, the thickness of the water film is quickly reduced and the water migration becomes inhibited, which delimits the frost damages of rock and shotcrete. In contrast, slow freezing rate permits water migration to occur for a longer period, which can result in greater frost damage of rock and shotcrete.

Abstract [sv]

På senare år har Banverket märkt en ökning av inrapporterade nedfall av berg och sprutbetong i sina järnvägstunnlar. I och med detta så startades en rad forskningsprojekt kring problemen med vattenläckage och isbildning i tunnlar. Detta projekt ”Nedbrytning av berg och sprutbetong på grund av istryck och frostsprängning” är ett av dessa. Syftet med denna rapport är att samla erfarenhet och information om hur is bildas samt hur istryck påverkar krosszoner, sprickor och skiktet mellan berg och sprutbetong. När vatten fryser till is sker en 9 % volymsutvidgning och denna expansion kan orsaka att ett tryck uppstår mot det omgivande materialet. Om vattnet befinner sig i ett litet innestängt område, exempelvis i en por eller i en sluten spricka som inte tillåter att en 9 % volymsutvidgning sker, kommer ett brott att uppstå i det omgivande materialet. Volymsutvidgningen som sker vid isbildning kan bara förhindras genom att trycksätta vattnet/isen med ett tryck från det omgivande materialet på 207 MPa, vilket motsvarar isens trycksmältpunkt. Som en jämförelse är draghållfastheten i berg ca 10 MPa vilket leder till att brott alltid kommer att uppstå i vattenmättat berg om vatten fryser i ett innestängt område. Det omgivande materialet kommer att utsättas för brott om trycket från isen överstiger materialets draghållfasthet, men storleken på skadan är bland annat beroende av materialets vattenmättnad. Ett delvis vattenmättat material kan klara sig från brott, trots att dess draghållfasthet är låg, genom att expansionen av isen och omfördelning av porvatten kan ske i de porer som från början var fyllda med luft. Ett helt vattenmättat material ger istället efter för frostsprängningen oberoende av sin draghållfasthet, på grund av att materialet inte har något fritt utrymme som kan ta upp expansionen. Men det är inte bara den 9 % volymsutvidgningen som orsakar frostsprängning. Forskning visar att om berg har tillgång till fritt vatten under nedkylningen, sker en process som liknar tjällyftning i jord. I jord vandrar vatten fram mot frysfronten och där bildas islinser. På ett liknande sätt verkar vatten vandra i berg och orsaka att iskroppar växer i porer och i sprickor. Vattenvandringen sker på grund av det faktum att det finns en tunn vattenfilm av adsorberat vatten längs ytorna av mineralkornen och i denna vattenfilm finns möjlighet för vatten att vandra mot frysfronten. Experimentellt arbete har visat att en betydande del av det adsorberade vattnet förblir ofruset vid negativa temperaturer, inte bara i jord utan även i berg och detta gynnar vattenvandringen. Men när temperaturen sjunker mer och mer börjar även det adsorberade vattnet i vattenfilmen att frysa och andelen ofruset vatten minskar. Så med sjunkande temperatur blir vattenfilmen, som separerar isen och mineralkornen, tunnare och tunnare. Detta reducerar vattenvandringen fram mot frysfronten. Om temperaturen fortsätter att sjunka, kan vattenvandringen avta helt och så även istillväxten. Vattenvandringen och istillväxten är inte bara beroende av tillgången till vatten och frystemperatur, utan även av fryshastighet och varaktighet av köldgrader. Om berget utsätts för snabb nedfrysning (hög fryshastighet) minskar vattenfilmens tjocklek fort och vattenvandringen förhindras, vilket begränsar frostsprängning av berget. Om istället berget kyls ned långsamt (låg fryshastighet), tillåts vattenvandring att ske under en längre period, vilket kan resultera i större frostsprängning av berget.

Place, publisher, year, edition, pages
Luleå: Luleå tekniska universitet, 2006. , 79 p.
Series
Research report / Luleå University of Technology, ISSN 1402-1528 ; 2006:19
National Category
Other Civil Engineering
Research subject
Mining and Rock Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-25245Local ID: e58c4470-86b1-11db-8975-000ea68e967bOAI: oai:DiVA.org:ltu-25245DiVA: diva2:998297
Note
Godkänd; 2006; 20061122 (ysko)Available from: 2016-09-29 Created: 2016-09-29Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(3247 kB)11 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 3247 kBChecksum SHA-512
388455797936603fbcc956f1ab6ae0bd4433b0b9e01114443a19f117d39c3a33d690125b0d115719ea25afc0479d96961b6e74a249d41300a53a29716f614fc7
Type fulltextMimetype application/pdf

Other Civil Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 11 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 44 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf