Skip to main content
Erschienen in: Rock Mechanics and Rock Engineering 3/2013

01.05.2013 | Original Paper

On the Time-Development of Sulphate Hydration in Anhydritic Swelling Rocks

verfasst von: K. Serafeimidis, G. Anagnostou

Erschienen in: Rock Mechanics and Rock Engineering | Ausgabe 3/2013

Einloggen

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

Anhydritic claystones are among the most problematic rocks in tunnelling. Their swelling has caused serious damage and high repair costs in a number of tunnels, especially in Switzerland and southwest Germany. The swelling is usually attributed to the transformation of anhydrite into gypsum. It is a markedly time-dependent process which might take several decades to complete in nature. The present paper focusses on simultaneous anhydrite dissolution and gypsum precipitation in a closed system, i.e. disregarding the transport processes that may also be important for the evolution of the swelling process. The paper begins with a presentation of the governing equations and continues with parametric studies in order to investigate the role of the initial volumetric fractions of the constituents and the specific surface areas of the minerals involved. A simplified model for the hydration of anhydrite is also proposed, which identifies the governing process and the duration of the swelling process. Finally, parametric studies are performed in order to investigate the effect of the anhydrite surface being sealed by the formation of gypsum. The latter slows down the swelling process considerably.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Literatur
Zurück zum Zitat Amstad C, Kovári K (2001) Untertagbau in quellfähigem Fels. Schlussbericht Forschungsauftrag 52/94 des Bundesamts für Strassen ASTRA Amstad C, Kovári K (2001) Untertagbau in quellfähigem Fels. Schlussbericht Forschungsauftrag 52/94 des Bundesamts für Strassen ASTRA
Zurück zum Zitat Anagnostou G, Pimentel E, Serafeimidis K (2010) Swelling of sulphatic claystones—some fundamental questions and their practical relevance. Geomech Tunn 3 (5):567–572 Anagnostou G, Pimentel E, Serafeimidis K (2010) Swelling of sulphatic claystones—some fundamental questions and their practical relevance. Geomech Tunn 3 (5):567–572
Zurück zum Zitat Anderson GM (1996) Thermodynamics of natural systems. John Wiley and Sons, Inc., University of Toronto Anderson GM (1996) Thermodynamics of natural systems. John Wiley and Sons, Inc., University of Toronto
Zurück zum Zitat Andreae C (1956). Gebirgsdruck und Tunnelbau. Schweizerische Bauzeitung 74:107–110 Andreae C (1956). Gebirgsdruck und Tunnelbau. Schweizerische Bauzeitung 74:107–110
Zurück zum Zitat Appelo CAJ, Postma D (2005) Geochemistry, groundwater and pollution, 2nd edn. A. A. Balkema, RotterdamCrossRef Appelo CAJ, Postma D (2005) Geochemistry, groundwater and pollution, 2nd edn. A. A. Balkema, RotterdamCrossRef
Zurück zum Zitat Atkins P, de Paula J (2006) Atkins‘Physical Chemistry, 8th edn. Oxford University Press, Oxford Atkins P, de Paula J (2006) Atkins‘Physical Chemistry, 8th edn. Oxford University Press, Oxford
Zurück zum Zitat Bezjak A, Jelenic I (1980) On the determination of rate constants for hydration processes in cement pastes. Cem Concr Res 10:553–563CrossRef Bezjak A, Jelenic I (1980) On the determination of rate constants for hydration processes in cement pastes. Cem Concr Res 10:553–563CrossRef
Zurück zum Zitat Bishnoi S (2008) Vector modelling of hydrating cement microstructure and kinetics. Dissertation No 4093, Ècole Polytechnique Fèdèrale de Lausanne Bishnoi S (2008) Vector modelling of hydrating cement microstructure and kinetics. Dissertation No 4093, Ècole Polytechnique Fèdèrale de Lausanne
Zurück zum Zitat Bishnoi S, Scrivener LK (2009) Studying nucleation and growth kinetics of alite hydration using μic. Cem Concr Res 29:849–860CrossRef Bishnoi S, Scrivener LK (2009) Studying nucleation and growth kinetics of alite hydration using μic. Cem Concr Res 29:849–860CrossRef
Zurück zum Zitat Böhm M, Devinny J, Jahani F, Rosen G (1998) On a moving-boundary system modeling corrosion in sewer pipes. Appl Math Comput 92:247–269CrossRef Böhm M, Devinny J, Jahani F, Rosen G (1998) On a moving-boundary system modeling corrosion in sewer pipes. Appl Math Comput 92:247–269CrossRef
Zurück zum Zitat Böhringer J, Jenni JP, Hürlimann P, Resele G, Grauer R, Norbert J (1990) Anhydritvorkommen als Wirtgestein für die Lagerung schwach- und mittelaktiver Abfälle dargestellt am Beispiel des Bois de la Glaive. NAGRA, Technischer Bericht, pp 88–15 Böhringer J, Jenni JP, Hürlimann P, Resele G, Grauer R, Norbert J (1990) Anhydritvorkommen als Wirtgestein für die Lagerung schwach- und mittelaktiver Abfälle dargestellt am Beispiel des Bois de la Glaive. NAGRA, Technischer Bericht, pp 88–15
Zurück zum Zitat Brantley SL, Kubicki JD, White AF (2008) Kinetics of water–rock interaction. Springer, New York Brantley SL, Kubicki JD, White AF (2008) Kinetics of water–rock interaction. Springer, New York
Zurück zum Zitat Einstein HH (1996) Tunnelling in difficult ground—swelling behaviour and identification of swelling rocks. Rock Mech and Rock Eng 29(3):113–124CrossRef Einstein HH (1996) Tunnelling in difficult ground—swelling behaviour and identification of swelling rocks. Rock Mech and Rock Eng 29(3):113–124CrossRef
Zurück zum Zitat Freyer D, Voigt W (2003) Crystallization and phase stability of CaSO4—based salts. Monatsh Chem 134:693–719CrossRef Freyer D, Voigt W (2003) Crystallization and phase stability of CaSO4—based salts. Monatsh Chem 134:693–719CrossRef
Zurück zum Zitat Gassmann J, Gysel M, Schneider JF (1979) Anhydrit als Wirtgestein für die Endlagerung radioaktiver Abfälle in der Schweiz. Technical Report Nagra, No. 12, Baden Gassmann J, Gysel M, Schneider JF (1979) Anhydrit als Wirtgestein für die Endlagerung radioaktiver Abfälle in der Schweiz. Technical Report Nagra, No. 12, Baden
Zurück zum Zitat Grob H (1972) Schwelldruck im Belchentunnel. Internationales Symposium für Untertagbau, Luzern, pp 99–119 Grob H (1972) Schwelldruck im Belchentunnel. Internationales Symposium für Untertagbau, Luzern, pp 99–119
Zurück zum Zitat Henke KF, Kaiser W (1975) Zusammenfassung und Deutung der Ergeb-nisse in Bezug auf Sohlhebungen beim Tunnelbau im Gipskeuper. Durch-führung eines felsmechanischen Grossversuches in der Nordröhre des Wagenburgtunnels in Stuttgart. Schriftenhefte Strassenbau und Strassen-verkehrs-tech-nik 184:185–195 Henke KF, Kaiser W (1975) Zusammenfassung und Deutung der Ergeb-nisse in Bezug auf Sohlhebungen beim Tunnelbau im Gipskeuper. Durch-führung eines felsmechanischen Grossversuches in der Nordröhre des Wagenburgtunnels in Stuttgart. Schriftenhefte Strassenbau und Strassen-verkehrs-tech-nik 184:185–195
Zurück zum Zitat Henke KF, Kaiser W, Nagel D (1975) Geomechanische Untersuchungen im Gips-keuper. Durchführung eines felsmechanischen Grossversuches in der Nord-röhre des Wagenburgtunnels in Stuttgart. Schriftenhefte Strassenbau und Strassen-verkehrs-technik 184:149–162 Henke KF, Kaiser W, Nagel D (1975) Geomechanische Untersuchungen im Gips-keuper. Durchführung eines felsmechanischen Grossversuches in der Nord-röhre des Wagenburgtunnels in Stuttgart. Schriftenhefte Strassenbau und Strassen-verkehrs-technik 184:149–162
Zurück zum Zitat Kontrec J, Kralj D, Brečević L (2002) Transformation of anhydrous calcium sulphate into calcium sulphate dihydrate in aqueous solutions. J Cryst Growth 240:203–211CrossRef Kontrec J, Kralj D, Brečević L (2002) Transformation of anhydrous calcium sulphate into calcium sulphate dihydrate in aqueous solutions. J Cryst Growth 240:203–211CrossRef
Zurück zum Zitat Langbein R, Peter H, Schwahn H (1982) Karbonat und Sulfatgesteine. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig Langbein R, Peter H, Schwahn H (1982) Karbonat und Sulfatgesteine. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig
Zurück zum Zitat Lasaga CA (1986) Metamorphic reaction rate laws and development of isograds. Miner Mag 50:359–373CrossRef Lasaga CA (1986) Metamorphic reaction rate laws and development of isograds. Miner Mag 50:359–373CrossRef
Zurück zum Zitat Lasaga CA (1998) Kinetic theory in earth sciences. Princeton University Press, NJ Lasaga CA (1998) Kinetic theory in earth sciences. Princeton University Press, NJ
Zurück zum Zitat Lasaga CA, Rye DM (1993) Fluid flow and chemical reaction kinetics in metamorphic systems. Am J Sci 293:361–404CrossRef Lasaga CA, Rye DM (1993) Fluid flow and chemical reaction kinetics in metamorphic systems. Am J Sci 293:361–404CrossRef
Zurück zum Zitat Li YH, Gregory S (1974) Diffusion of ions in sea water and in deep-sea sediments. Geochim Cosmochim Acta 38:703–714CrossRef Li YH, Gregory S (1974) Diffusion of ions in sea water and in deep-sea sediments. Geochim Cosmochim Acta 38:703–714CrossRef
Zurück zum Zitat Madsen FT, Nüesch R (1990) Langzeitverhalten von Tongesteinen und tonigen Sulfatgesteinen. Mitteilungen des Institutes für Grundbau und Bodenmechanik, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Nr.140 Madsen FT, Nüesch R (1990) Langzeitverhalten von Tongesteinen und tonigen Sulfatgesteinen. Mitteilungen des Institutes für Grundbau und Bodenmechanik, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Nr.140
Zurück zum Zitat Müller WH, Briegel U (1977) Experimentelle Untersuchungen an Anhydrit. Bericht Nr. 2. Geol. Institut der ETH Zürich, Arbeitsgruppe Anhydrite der Nagra Müller WH, Briegel U (1977) Experimentelle Untersuchungen an Anhydrit. Bericht Nr. 2. Geol. Institut der ETH Zürich, Arbeitsgruppe Anhydrite der Nagra
Zurück zum Zitat Mullin JW (2001) Crystallization, 4th edn, Butterworth-Heinemann, Oxford Mullin JW (2001) Crystallization, 4th edn, Butterworth-Heinemann, Oxford
Zurück zum Zitat Nancollas GH, Purdie N (1964) The kinetics of crystal growth. Q Rev Chem Soc 18:1–20CrossRef Nancollas GH, Purdie N (1964) The kinetics of crystal growth. Q Rev Chem Soc 18:1–20CrossRef
Zurück zum Zitat Pignat C, Navi P, Scrivener K (2005) Simulation of cement paste microstructure hydration pore space characterization and permeability determination. Mater Struct 38:459–466 Pignat C, Navi P, Scrivener K (2005) Simulation of cement paste microstructure hydration pore space characterization and permeability determination. Mater Struct 38:459–466
Zurück zum Zitat Sahores J (1962) Contribution à l’ ètude des phènomenes mèchaniques accompagnant l’ hydratation de l’ anhydrite. Dissertation, Revue des matèriaux de construction Sahores J (1962) Contribution à l’ ètude des phènomenes mèchaniques accompagnant l’ hydratation de l’ anhydrite. Dissertation, Revue des matèriaux de construction
Zurück zum Zitat Serafeimidis K, Anagnostou G (2012a) On the kinetics of the chemical reactions underlying the swelling of anhydritic rocks. Eurock 2012, Stockholm Serafeimidis K, Anagnostou G (2012a) On the kinetics of the chemical reactions underlying the swelling of anhydritic rocks. Eurock 2012, Stockholm
Zurück zum Zitat Serafeimidis K, Anagnostou G (2012b) Simultaneous anhydrite dissolution and gypsum precipitation in a closed swelling rock system. ARMA 2012, Chicago Serafeimidis K, Anagnostou G (2012b) Simultaneous anhydrite dissolution and gypsum precipitation in a closed swelling rock system. ARMA 2012, Chicago
Zurück zum Zitat Steefel CI, Lasaga CA (1994) A coupled model for transport of multiple chemical species and kinetic precipitation/dissolution reactions with application to reactive flow in single phase hydrothermal systems. Am J Sci 294:529–592CrossRef Steefel CI, Lasaga CA (1994) A coupled model for transport of multiple chemical species and kinetic precipitation/dissolution reactions with application to reactive flow in single phase hydrothermal systems. Am J Sci 294:529–592CrossRef
Zurück zum Zitat Steefel CI, Van Cappellen P (1990) A new kinetic approach to modeling water-rock interaction: the role of nucleation, precursors and Ostwald ripening. Geochemica et Cosmochimica 54:2657–2677CrossRef Steefel CI, Van Cappellen P (1990) A new kinetic approach to modeling water-rock interaction: the role of nucleation, precursors and Ostwald ripening. Geochemica et Cosmochimica 54:2657–2677CrossRef
Zurück zum Zitat Wiesmann E (1914) Über die Stabilität von Tunnelmauwerk unter Berücksichtigung der Erfahrungen beim Bau des Hauenstein-Basistunnel. Schweizerische Bauzeitung 64(3):27–32 Wiesmann E (1914) Über die Stabilität von Tunnelmauwerk unter Berücksichtigung der Erfahrungen beim Bau des Hauenstein-Basistunnel. Schweizerische Bauzeitung 64(3):27–32
Metadaten
Titel
On the Time-Development of Sulphate Hydration in Anhydritic Swelling Rocks
verfasst von
K. Serafeimidis
G. Anagnostou
Publikationsdatum
01.05.2013
Verlag
Springer Vienna
Erschienen in
Rock Mechanics and Rock Engineering / Ausgabe 3/2013
Print ISSN: 0723-2632
Elektronische ISSN: 1434-453X
DOI
https://doi.org/10.1007/s00603-013-0376-9

Weitere Artikel der Ausgabe 3/2013

Rock Mechanics and Rock Engineering 3/2013 Zur Ausgabe

Editorial

Editorial