Oddělení laboratorního výzkumu geomateriálů

Vedoucí
Doc. Ing. Jiří Ščučka, Ph.D.
Tým
Bc. Lucie Hronová
Dr. Vishnu Chitralekha Satheesan
Doc. Ing. Ivan Janeček, CSc.
Ing. Alena Kožušníková, CSc.
Ing. Lucie Králová
Milan Kraus
Miroslava Krupíková
Ing. Kateřina Marečková
Prof. Ing. Petr Martinec, CSc.
Renáta Papcúnová
Ing. Eva Plevová, Ph.D.
Mgr. Lucie Ruppenthalová, Ph.D.
Ing. Lenka Vaculíková, Ph.D.
Ing. Věra Valovičová, Ph.D.
Prof. Ing. Zdeněk Vašíček, DrSc.
Ing. Leona Vavro, Ph.D.

Oddělení zajišťuje komplexní materiálový výzkum geomateriálů a vybraných stavebních hmot. K základním směrům výzkumu patří mineralogie a petrografie, kde jsou vyvíjeny nové metodiky pro identifikaci a charakterizace materiálů, založené na infračervené spektroskopii, metodách termické analýzy, optické a infračervené mikroskopii a zpracování a analýze obrazu. K dalším důležitým směrům výzkumu patří pevnostní a přetvárné vlastnosti geomateriálů za různých stavů napjatosti, fyzikální a chemická interakce geomateriálů s tekutinami, změny propustnosti materiálů v důsledku změn napěťového stavu, studium tepelných vlastností a další. Součástí výzkumu je také geologie uhelných pánví a geologické problémy spojené s významnými geotechnickými stavbami.

Hlavní výzkumné aktivity

Mineralogie a petrografie. Našim partnerům z průmyslové i akademické sféry poskytujeme petrografické a mineralogické analýzy širokého spektra jak přírodních tak industriálních materiálů. U přírodních hornin se jedná zejména o zařazení horniny do petrografických systémů a o analýzu složení a struktury horniny (velikost částic, zrnitost, vytřídění, zakulacení a zaoblení klastů, identifikace karbonátů a jílové hmoty v hornině, uhelné hmoty v sedimentech, stanovení přeměny horninotvorných minerálů, normativní složení na podkladě chemické analýzy).

U materiálů industriálních (jako jsou minerální abraziva, mikronizované částice, silikátové stavební hmoty nebo vedlejší produkty hutní výroby) provádíme stanovení strukturní stavby, složení, zrnitosti, velikosti a distribuce pórů, identifikaci složek a minerálů, stanovení druhu a intenzity koroze a alterace.

Uhelná petrologie zahrnuje macerálovou analýzu uhlí, stanovení mineralizace v uhlí, analýzu porušení uhlí před a po deformačních testech, mikrotvrdost, texturní analýzu koksů.

Zpracování a analýza obrazu geomateriálů a stavebních hmot. Pro studium složení a strukturně-texturní stavby geomateriálů a stavebních hmot jsou v oddělení využívány a rozvíjeny metody zpracování a analýzy digitálního obrazu. Jedná se především o postupy obrazové analýzy, umožňující kvantifikaci složení a strukturních parametrů materiálu, analýzu tvaru, velikosti a orientace částic, analýzu velikosti a distribuce pórů, měření intenzity a orientace mikroporušení apod. Pracovníci oddělení vyvinuli řadu inovativních algoritmů a metodik, které aplikovali při morfologické analýze geomateriálů na různé úrovni měřítka. Byl např. vypracován postup pro stanovení distribuce mikroporušení v hornině v průběhu mechanického zatěžování (mikroskopické měřítko). Byla vyvinuta a ověřena metodika hodnocení morfologie zrn kameniva pro stavební účely (mezoskopické měřítko), která umožňuje popsat a kvantifikovat morfometrické parametry zrn kameniva ve vztahu k strukturní anizotropii a mikroporušení v hornině a použít je pro modelování ve stavebnictví a geotechnice. Dále byla vyvinuta např. metodika pro kvantifikaci strukturně-texturních parametrů profilu čelby jako součást geotechnického průzkumu při ražbě podzemních děl (makroskopické měřítko), umožňující výrazné zkvalitnění poznatků z průzkumu čelby při současné eliminaci bezpečnostních rizik.

Výzkum fyzikálních vlastností geomateriálů. Další oblastí výzkumu je vliv termo-hydro-mechanických procesů na fyzikální vlastnosti geomateriálů, jakými jsou: měrná a objemová hmotnost, nasákavost, kapilární jímavost, rychlost šíření ultrazvukových vln, tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita a tepelná roztažnost. Pevnostní a přetvárné vlastnosti jsou hodnoceny zejména při laboratorních zkouškách pevnosti v tlaku a tahu, při nichž je stanovován také modul přetvárnosti, Poissonovo číslo za jednoosého i trojosého stavu napjatosti a rychlost šíření ultrazvukových vln v procesu porušování. Výsledky triaxiálních zkoušek jsou dále využívány při konstrukci Mohrovy obálky.

Zvláštní pozornost je věnována studiu propustnosti hornin a uhlí za trojosého stavu napjatosti. Měřící zařízení sestává z triaxiální komory KTK 100 modifikované pro průchod plynu. Plášťový tlak je vyvíjen tlakem hydraulického oleje až do maximální hodnoty 100 MPa. Zdrojem osového napětí je mechanický lis ZWICK 1494, ovládaný počítačem s maximální silou 600 kN. Jako plynné médium pro měření propustnosti je používán obvykle dusík. Je studován vliv různých parametrů na propustnost hornin a uhlí za trojosého stavu napjatosti: struktura, anizotropie a složení; zvyšování hydrostatického tlaku; zvyšování osového napětí a teploty.

Metodikou měření propustnosti, kterou vyvinuli pracovníci oddělení, již byla testována rozsáhlá série sedimentárních karbonských hornin a uhlí. V posledních letech je výzkum soustředěn na granitoidní horniny z významných lokalit České republiky. V rámci projektu programu VaVpI Institut čistých technologií těžby a užití energetických surovin získalo oddělení nové sofistikované hydraulické zařízení MTS pro mechanické zkoušky hornin, umožňující provádět široké spektrum testů mechanických vlastností, včetně např. stanovení lomové houževnatosti hornin nebo měření propustnosti hornin pro kapaliny.

Výzkum jílových minerálů. Dlouhodobě je v našem oddělení studována problematika jílových minerálů. V úzké spolupráci s VŠB-TU a Ostravskou univerzitou probíhá výzkum nanomateriálů na bázi jílových minerálů, studium termické stability kompozitních materiálů a rozvoj aplikačních možností FTIR a Ramanovy spektroskopie při identifikaci a kvantifikaci jílových minerálů. Důvodem současného zájmu o jílové minerály je jejich pozoruhodná schopnost přijímat do své krystalové struktury látky organického nebo anorganického původu. Díky tomu jílové minerály, kromě tradiční úlohy sorbentů, představují cestu ve vývoji nových materiálů s předem definovanými vlastnostmi, tzv. nanokompozitů. Získané poznatky o vlastnostech takto připravených nanokompozitů přispívají k řešení aktuálních problémů spojených s přípravou sorbentů pro odstraňování látek z různých ekologických zátěží, tvorbou bariér pro ukládání odpadů, nebo zpevňováním a stabilizací zemin s vysokým obsahem jílů a huminových látek.

Při studiu sorpčních a mechanických vlastností jílových minerálů a modifikovaných jílů je v oddělení rozvíjena také aplikace termické analýzy. V rámci studia termické stability geomateriálů byla zpracována ucelená databáze termických křivek jílových minerálů, jejich příměsí a vybraných druhů sedimentárních hornin. Jsou hodnoceny zejména změny hmotnosti v závislosti na teplotě a času s volitelným nastavením experimentální atmosféry (oxidační, inertní) včetně vysokého vakua, určovány teploty dehydratace, dehydroxylace a transformačních přeměn jednotlivých minerálů, a také stanovovány kinetické parametry probíhajících reakcí. Díky pokročilému kinetickému softwaru umíme predikovat také postup reakce a tepelné stability materiálu v libovolném teplotním režimu.

Dalším směrem výzkumu je aplikace FTIR a Ramanovy spektroskopie při kvalitativní a kvantitativní analýze jílových minerálů v horninách, a to především tam, kde přítomnost jílových minerálů významně ovlivňuje fyzikálně-chemické vlastnosti hornin – v geomechanice, při zajišťování stability svahů, při řešení otázek výstavby a stability podzemních děl a v řadě dalších oborů, při nichž dochází k zásahům do zemské kůry. V posledních letech je zaměřena pozornost na využití statistických multivariačních metod při analýze IČ spekter minerálů a hornin. Právě spojením FTIR spektroskopie a statistických metod lze dosáhnout rychlejších a spolehlivějších výsledků při stanovování jednotlivých minerálů v horninách.

Výzkum konkrementů močového traktu. Naše oddělení se dlouhodobě zabývá také mineralogickými analýzami konkrementů urologického traktu pacientů z ostravského regionu. Dosud byl vyšetřen rozsáhlý soubor více než 16 tisíc pacientů. Jsou využívány nejen metody mineralogické analýzy, ale také analýza obsahu stopových prvků a mikro-CT tomografie na celistvých konkrementech. Tento výzkum ukazuje, jak komplikovaná je vnitřní stavba konkrementu, vzniklého v dynamickém prostředí lidského těla, a jaké jsou zvláštnosti vzniku minerální struktury v organickém prostředí. Bylo zjištěno, že močové kameny pacientů ostravské aglomerace obsahují 130 minerálních kombinací, přičemž zcela dominují konkrementy Ca-oxalátové a Ca,Mg-fosfátové. Cílem výzkumu je vysledovat vývoj minerálního složení konkrementů močového traktu u pacientů ostravského regionu v letech 1978 - 2011 ve vztahu k pohlaví a věku pacienta a lokalizaci konkrementu, a také nalézt souvislosti mezi charakterem močových konkrementů a významnými sociálně-ekonomickými změnami v České republice. Tento unikátní výzkum probíhá ve spolupráci s Oddělením klinické biochemie Městské nemocnice v Ostravě, Urologickým oddělením Nemocnice ve Frýdku-Místku, VUT v Brně, Sincrotrone Trieste S.C.p.A. (Itálie) a laboratoří Calculi v Brně.

Stavba a vlastnosti geokompozitních materiálů. V oddělení je dlouhodobě rozvíjen unikátní výzkum strukturní stavby a vlastností geokompozitů - specifických materiálů vznikajících tlakovou injektáží chemických injektážních hmot do zemin, porušených hornin a narušených stavebních konstrukcí. Výzkum je prováděn ve spolupráci s Oddělením geomechaniky a báňského výzkumu a zahrnuje především vývoj a použití metodik pro vizualizaci stavby geokompozitu, kvantifikaci strukturně-texturních parametrů, studium vztahů mezi stavbou materiálu a jeho fyzikálně-mechanickými vlastnosti a hodnocení tepelné stability injektážních pryskyřic v geotechnické nebo stavební konstrukci. Zvláštní pozornost je věnována významným anomáliím ve struktuře geokompozitních monolitů vznikajících při konkrétních geotechnických aplikacích a jejich vlivu na chování materiálu v konstrukci.

Geologie uhelných pánví. V oddělení se dlouhodobě zabýváme problematikou geologie uhelných pánví. Toto výzkumné téma zahrnuje zejména geologickou dokumentaci vrtů a důlních děl, sedimentologickou a litologickou analýzu hornin a uhlí. Mimořádná pozornost je věnována výzkumu a identifikaci korelačních horizontů v uhelných pánvích. Výsledky výzkumu jsou průběžně využívány zejména pro korelaci uhelných slojí v české části hornoslezské pánve. Společensky a ekonomicky významnou oblastí výzkumu, kterou se pracovníci oddělení dlouhodobě zabývají, je také studium vazby plynů v uhelné hmotě a horninách v souvislosti s technologiemi těžby slojového metanu, ukládáním technologického CO2 a se vznikem plynodynamických jevů ohrožujících bezpečnost práce v podzemí. V roce 2011 byly výsledky práce publikovány v odborné monografii s názvem Oxid uhličitý a horninový masiv ( PDF, 7 MB ).

Další informace

Projekty řešené v posledních letech ( PDF, 207 kB )
Vybrané publikace ( PDF, 248 kB )
Technické vybavení ( PDF, 495 kB )