Degradation of rock and shotcrete due to ice pressure and frost shattering

In recent years the Swedish Rail Administration has observed an increased incidence of shotcrete and rock fall-outs in its tunnels, for which reason it has initiated several research projects, of which the present project entitled "Degradation of rock and shotcrete due to ice pressure and frost shattering" is one. The aim of this licentiate project was to bring together experience and information relating to ice formation and the effect of ice pressure on fault zones, cracks and, in particular, the shotcrete/rock interface. Furthermore, the hypothesis from the literature review is tested and the results of the laboratory tests are presented.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 this ice pressure exceeds the tensile strength of the adjacent material or the adhesive strength of the shotcrete/rock interface, the material will be damaged. The degree of damage depends, among other factors, on the degree of saturation of the material. A partially saturated material can resist breakage despite its low tensile strength, because ice expansion and pore-water distribution can occur in pores which were initially filled with air. A fully saturated material however yields to frost action regardless of its tensile strength, because it has none of the free space this expansion requires.Volumetric expansion is not the only cause of frost shattering and 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 ice bodies to grow inside pores and cracks. This water migration takes place because a thin film of adsorbed water occurs at the surface of mineral particles and it is in this water film that water is able to migrate towards the frozen zones. Experimental work has shown that a considerable amount of adsorbed water remains unfrozen at sub-zero temperatures not only in soils, but also in rocks, which enable water migration.Water migration and ice growth thus depend not only on access to water and freezing temperatures, but also on the duration of these temperatures and the freezing rate. If rock or shotcrete is subjected to rapid freezing, the thickness of the water film is quickly reduced and the water migration is inhibited, which limits frost damages to rock and shotcrete. By contrast, a slow freezing allows water migration to occur over a longer period, which can result in greater frost damage to rock and shotcrete. The field investigations found changes to the freezing periods as well as their duration to be of major importance to ice formation growth. If the freezing period was of long duration, several of the cracks and the leakage spots freeze. If leakage is subjected instead to short periods of freezing and thawing, the water in the crack will never freeze and will continue to leak, resulting in ice formation growth. In cold areas, such as the north of Sweden, this problem takes place even far inside the tunnels. This phenomenon occurs because the leakage water transports heat from the rock mass to the cold tunnel wall. The heat content of the water keeps the rock around the crack opening from freezing despite sub-zero tunnel air temperatures. Hence, the leakage spot will continue to leak, until a certain temperature and temperature duration is achieved, which results in ice formations when the water meets the cold tunnel air. Another experience in the field investigations was that the rock and shotcrete fall-outs often occurred in areas with leakage problems.The results of the laboratory tests performed in this licentiate project also show that water in combination with freezing temperature can cause degradation problems. The tensile tests undertaken, showed that the adhesive strength decreased about 50 % when the shotcrete/rock samples had been subjected to freeze-thaw cycles. Furthermore, acoustic emission measurements (AE) showed that more events took place when the shotcrete/rock panels had access to free water during freezing. The literature review, field investigations of railway tunnels and the laboratory tests shows that access to water during freezing can cause damage to the shotcrete/rock interface. This confirms the hypothesis that shotcrete and rock fall-outs can occur because ice pressure in a crack or at the interface exceeds the tensile strength of the material or the adhesive strength between rock and shotcrete. One thing that the laboratory tests failed to provide a satisfactory answer to, was whether these fall-outs could occur due to widening of an initially small area of poor adhesion around a rock crack opening. However, the laboratory test showed a lot of activity during freezing in those areas prepared with poor adhesion. It thus it appears that small areas of poor adhesion in some way affect deterioration of the adhesive strength of the shotcrete/rock interface.Nedbrytning av berg och sprutbetong på grund av istryck och frostsprängningPå 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 detta licentiatprojekt var att samla erfarenhet och information om hur is bildas samt hur istryck påverkar krosszoner, sprickor och framför allt skiktet mellan berg och sprutbetong. Vidare testas hypotesen från litteraturstudien och resultaten från laborationsförsök redovisas.När vatten fryser till is sker en 9 % volymsutvidgning och denna expansion kan orsaka att ett tryck uppstår mot det omgivande materialet. Det omgivande materialet kommer att utsättas för brott om trycket från isen överstiger materialets draghållfasthet eller vidhäftningshållfasthet i skiktet mellan berg och sprutbetong. 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.Det är inte bara isens volymsutvidgningen som orsakar frostsprängning. Forskning visar att om berg har tillgång till fritt vatten under nedkylningen sker en process som liknar den i jord, där vatten vandrar fram mot frysfronten och bildar islinser. På ett liknande sätt vandrar vatten i berg och orsakar tillväxt av isskikt i exempelvis en por eller spricka, vilket kan orsaka att istrycket ökar. Vattenvandringen sker på grund av att det finns en tunn vattenfilm av adsorberat vatten längs mineralkornens ytor 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 möjliggör vattenvandringen.Vattenvandring och istillväxt är inte bara beroende av tillgången till vatten och frystemperatur, utan även av fryshastighet och varaktighet av köldgrader. Om berg och sprutbetong utsätts för snabb nedkylning minskar vattenfilmens tjocklek och vattenvandringen förhindras, vilket begränsar frostsprängningen av materialet. Om istället berget kyls ned långsamt, tillåts vattenvandringen att ske under en längre period, vilket kan resultera i större frostsprängning. I de utförda fältundersökningarna visade det sig att varaktigheten och förändring av frysperioderna var av stor vikt för tillväxten av isformationer. Om frysperioden hade lång varaktighet frös vissa av sprickorna och läckagepunkterna. Om läckagen istället utsattes för kortare perioder av frysning och tining frös aldrig sprickorna och vatten fortsatte att läcka med växande isformationer som följd. För kalla områden, som i de norra delarna av Sverige, uppstår dessa problem även långt in i tunnlarna. Problemen uppstår på grund av att läckagevatten transporterar fram värme från bergmassan till den kalla tunnelytan. Värmen från läckagevattnet håller bergmassan kring spricköppningen ofrusen trots att tunnelluften är kall. Därför fortsätter sprickan att föra fram vatten med konsekvensen att det bildas is när vattnet väl kommer ut i den kalla tunnelluften. En annan erfarenhet från fältundersökningarna var att utfallen av berg och sprutbetong ofta förekom i sektioner som hade problem med vattenläckage.Resultaten från laborationsförsöken utförda i det här licentiatprojektet visar också att vatten i kombination med negativa temperaturer kan orsaka nedbrytningsproblem. De utförda dragtesterna visade att vidhäftnings-hållfastheten minskar med ungefär 50 % när sprutbetong/bergproverna hade utsatts för frysning. Vidare visade mätningarna av akustisk emission (AE) att fler AE-händelser skedde när sprutbetong/bergproverna hade tillgång till vatten under frysningen. Litteraturstudien, fältundersökningarna i järnvägstunnlarna och laborationsförsöken pekar på att tillgången på vatten under frysning kan orsaka skador på skiktet mellan berg och sprutbetong. Detta bekräftar hypotesen att utfall av berg och sprutbetong kan uppstå på grund av att istryck i en spricka eller i skiktet mellan berg och sprutbetong överskrider draghållfastheten för materialet eller vidhäftningshållfastheten mellan berg och sprutbetong. En sak som laborationsförsöken inte kunde ge ett bra svar på var ifall utfallen kunde ske på grund av spridning av en liten yta som redan från början hade dålig vidhäftning runt en spricköppning. Men försöken visade att det förekom mycket aktivitet under frysningen i de områden som preparerats med dålig vidhäftning. Så det verkar som att små områden med dålig vidhäftning kan påverkar försämringen av vidhäftningen mellan berg och sprutbetong.Godkänd; 2009; 20090408 (andren); LICENTIATSEMINARIUM Ämnesområde: Berganläggningsteknik Examinator: Adj professor Lars-Olof Dahlström, Luleå tekniska universitet Tid: Tisdag den 5 maj 2009 kl 13.00 Plats: Banverket i Borlänge med sändning till F1031, Luleå tekniska universitet