Steen onder de loep: porositeit, (g)een luchtige eigenschap

Van compact tot poreus

Elke steen bevat in zekere mate holtes, al zijn ze soms microscopisch klein. Deze holtes, samen met eventuele scheuren, vormen de porositeit van de steen. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen open porositeit (of effectieve porositeit) en de totale porositeit. De open porositeit stelt de volumefractie aan poriën voor die onderling geconnecteerd zijn met het buitenvlak. Deze kunnen dus worden gevuld met lucht en water.

De totale porositeit omvat alle poriën, ook deze die gesloten en dus ontoegankelijk zijn. Het verbaast natuurlijk niet dat er in de praktijk vooral over open porositeit wordt gesproken. De hoeveelheid gesloten poriën zijn onbelangrijk ten opzichte van de open poriën.

Porositeit kan erg verschillen tussen steensoorten, maar soms ook binnen één gesteentesoort. Metamorfe gesteentes zoals gneiss en marmer en magmatische dieptegesteentes zoals graniet zijn vaak weinig poreus (< 2 vol.%) omwille van hun vormingsomstandigheden waarbij (her)kristallisatie diep in de aardlagen gebeurt. Sedimentaire gesteentes, zoals kalksteen en zandsteen, worden gevormd door diagenetische processen. Zij kennen verschillende gradaties van compactheid, en daarom zijn ze vaak poreuzer. In hun compacte vorm zijn kalkstenen, zoals blauwe hardsteen, en zandstenen weinig poreus (<2 vol.%), maar van andere zandstenen kan de porositeit oplopen tot ongeveer 25% - en tot zelfs 50% voor sommige kalkstenen.

Gevoelsmatig zijn compacte kalkstenen harder en poreuze kalkstenen, zoals witsteen, zachter. Een ‘hardsteen’ zal door die compacte textuur een lage porositeit hebben, terwijl bij een ‘tuffeau’ net een hoge porositeit te verwachten valt.

Degradatie en kwaliteitscontrole

Porositeit is een van de basiseigenschappen van een steen die, indien hoog, een erg grote invloed kan hebben op andere belangrijke eigenschappen zoals watertransport en -retentie. Een hogere porositeit heeft over het algemeen een ongunstige invloed op de degradatie van natuursteen, maar het is belangrijk om te begrijpen dat deze relatie niet één-op-één is. Degradatie wordt ook sterk bepaald door de omstandigheden, de mineralogie en de sterkte van een steen.

Ook de grootte van de individuele poriën oefent een minstens even belangrijke invloed uit dan de totale porositeit. Grote poriën nemen snel water op, maar drogen ook makkelijk uit. Kleine poriën nemen vocht trager op, maar houden het langer vast.

Dit kan bijvoorbeeld een invloed hebben op de vorstweerstand. De meest nadelige situatie is dan een steen met zowel grote poriën, die snel water opnemen, en veel fijne poriën die dat opgenomen water dan vasthouden.

De grootte van individuele poriën omvat verschillende grootte-ordes. Van minder dan 0,1 µm tot meerdere centimeter. Heel wat poreuze steensoorten hebben poriën die kleiner zijn dan 50 µm. Ter verduidelijking, dit is ongeveer de grens van wat zichtbaar is met het blote oog. Een heel belangrijk deel van de open porositeit is dus niet rechtstreeks waar te nemen met het oog, al zal de geoefende natuursteenkenner het natuurlijk wel kunnen inschatten op basis van het type steen en de textuur.

De open porositeit is een van de basiseigenschappen op een technische fiche. Ze kan dus gebruikt worden om aan kwaliteitscontrole te doen door proefstukken te vergelijken met de gedeclareerde waarde.

Poriegrootteverdeling van een poreuze kalksteen uit het Bekken van Parijs.

TDK - Poriegrootteverdeling van een poreuze kalksteen uit het Bekken van Parijs.

Wet van Archimedes

De porositeit van een gesteente wordt gedefinieerd als de volumefractie van poriën per eenheidsvolume van de steen. Om de (open) porositeit te bepalen, worden beide volumes dus gemeten. Hiervoor worden de poriën van een proefstuk onder vacuüm verzadigd met water, zodat de open poriën volledig gevuld zijn. Het massaverschil tussen de droge en verzadigde steen is dan indicatief voor het volume water, gezien de densiteit van water gekend is. De bepaling van het steenvolume berust op de Wet van Archimedes.

Deze wet stelt dat de opwaartse kracht die een lichaam in een vloeistof of gas ondervindt, gelijk is aan de massa van het verplaatste volume van die vloeistof of gas. De onder vacuüm verzadigde steen wordt gewogen in de lucht en onder water, en uit het verschil van deze massa’s valt dan het volume verplaatst water, die gelijk is aan het bulk volume steen, te bepalen. Deze proefmethode wordt beschreven onder EN 1936 (2007) - Natural stone test methods - Determination of real density and apparent density, and of total and open porosity. Een proefstuk heeft typisch afmetingen in de grootteorde van 5 tot 10 cm.

Het bepalen van de poriegrootteverdeling is complexer en berust op kwikintrusie. Hierbij wordt kwik, een vloeibaar ‘non-wetting’-metaal, onder hoge druk in een proefstuk geïnjecteerd. Hoe kleiner een porie, hoe hoger de druk die nodig is om het kwik er in te duwen. Dus door het meten van het volume kwik dat geïnjecteerd wordt in functie van de druk, kan er een verdeling van de poriegrootte worden opgesteld. Dit is gebaseerd op een aantal theoretische aannames, zoals cilindrische poriën, en onderhevig aan artefacten, zoals vernauwingen aan de poriemond.

Maar de resultaten zijn wel waardevol en helpen in het begrijpen van de impact van de totale porositeit op andere eigenschappen en degradatie. Een proefstuk hier is omwille van het principe erg klein, met afmetingen in de grootteorde van een centimeter. Een doordachte staalname is dus belangrijk.