print job - GrindoSonic

I
Munchner Geowiss Abh.
1 1 1
(B)
9
1-118
1
127Abb.. 41 Tab., 4 Tat, Anhang
1
Miinchen, Februar 1992
I
Die Eis- und Salzkristallisation
im Porenraum von Sandsteinen und ihre Auswirkungen
auf das Gefüge unter besonderer Berücksichtigung
gesteinsspezifischer Parameter*
von
Günther WEISS**
KURZFASSUNG
In der vorliegenden Arbeit werden die Folgen der Frost- und Salzeinwirkung auf das Gefüge von fünf aus unterschiedlichen erdgeschichtlichen Epochen stammenden Sandsteinen aus der Bundesrepublik Deutschlanddiskutiert, wobei dem dynamischen Prozeß
der Salz- und Eiskristallisation im Porenraum besonderes Augenmerk geschenkt wird.
An diesen Gesteinen wurde eine Vielzahl von Kennwerten und Merkmalen erfaßt, z.B. mineralogische und Gefügeeigenschaften,
porenraumbezogene Merkmale,Festigkeits-und Verformungseigenschaften.Damitsind die gesteinsspezifischenRandbedingungenfür
die anschließende Verwitterungssimulationbekannt.
Die Simulation des Eisbildungsprozesseserfolgte an Proben, die immer eine definierte Sättigung (von 0,5 bis 1,O) aufwiesen.
Als Untersuchungsmethodenkamen zur Anwendung: Porositäts-, E-Modul-, Temperatur- und Längenänderungsmessungensowie
die Licht- und Rasterelektronenmikroskopie. Mit der Methode der Kryopräparationwird ein neues Verfahren zur direkten Beobachtung
von Eis im Porenraum von Sandsteinen im REM voraestellt.
Bei teilgesättigten Proben war bei allen untersuchten Sandsteineneine Kontraktion, bei vollgesättigteneine Expansiondes Gefüges
zu beobachten. Beide Vorgänge hielten auch bei tieferen Temperaturenan; ihr Ausmaß wargesteinsspezifisch unterschiedlichund nahm
tendenziell mit zunehmendem Tonmineral- und ~ikro~orenanteil
zu. Teilgesättigte tonig gebundene Sandsteine wiesen trotz Kontrak- .
tion nach dem Auftauen eine Gefügeaufweitungauf.
Diese Phänomene lassen sich durch zwei zeitlich getrennte Eisbildungsphasen erklären. Zunächst gefriert das Wasser in den
Kapillarporen bei Temperaturen, die nur wenig unterhalb von 0°C liegen (= primären Eisbildung). Wegen der Wirksamkeit der spezifischen Oberflächenkräfte bleibt das Wasser in den Mikroporen zu diesem Zeitpunkt noch flüssig und schließt sich erst bei weiterem
*
Inaugural-Dissertationzur Erlangung des Doktorgradesder Fakultät für Geowissenschaftender Ludwig-Maximilians-Universitätzu
München
**
Günther WEISS, Institut für Gebäudeanalyse und SanierungsplanungGmbH, Valleystraße 36, D-8000 München 70
Münchner Geowiss. Abh. (B) 9, S. 1-118, 127 Abb., 41 Tab., 4 Taf., Anhang
0 1992 Verlag Dr. Friedrich Pfeil, Miinchen.
Wärmeentzug den bestehenden Eiskristallen in den Kapillarporen an (= sekundäre Eisbildung). Dies bewirkt im Falle der Teilsättigung
die Kontraktion, im Falle der Vollsättigung die zusätzliche Expansion des Gefüges nach Abschluß der primären Eisbildung. Gefügeaufweitungen nach dem Auftauen teilgesättigter Sandsteine lassen sich mit der sekundären Eisbildung und dem bevorzugten Wachstum
von Eis in den kleineren Kapillarporen erklären.
Gestützt wird insbesondere die letzte Schlußfolgerung mit der direkten Betrachtung des Eises im Porenraum von Sandsteinen mit
dem REM. In teilgesättigten Sandsteinen tragen die größeren Kapillarporen nur randlich einen Eispanzer, der gegen das Innere des
Hohlraumes wächst, während kleinere Kapillarporen vollständig mit Eis gefüllt sein können.
In einem Langzeitversuch Iäßt sich die Wirksamkeit der sekundären Eisbildungan einem teilgesättigten Schilfsandstein belegen.
Die vollgesättigten Proben zeigen im selben Versuch allesamt eine zunächst steile, später verflachende Porositätserhohungbzw. EModul-Minderuna,die aesteinss~ezifischunterschiedlich verläuft. Beide Faktoren stehen zueinander in einer indirekten Pro~oftionalität.
Im Gegensatz z i d e n teilgesättigten Proben können hier die Gefügezerrüttungen direkt im Mikroskop beobachtet werden.
Die Simulation der Salzsprengung erfolgt mit Hilfe des Salzsystems ThenardiVMirabilit.Die Aufzeigung der Gefügeveränderunggeschah
über Massenänderungsku~en,über Messungen zum dynamischen E-Modul und zur Porosität sowie über licht- und rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen. .
Basierend auf den Maxima der Massenänderungskurvenwird ein einfaches Modell vorgestellt, mit dem sich die Porenfüllungsgrade
mit Salz berechnen lassen. Dies belegt die geringe Wahrscheinlichkeit einer Aufsprengung des Gefüges alleine durch die Wirksamkeit
der integralen Volumenexpansion beim Übergang von Thenardit in Mirabilit. Ähnliche Ergebnisse erbringen Porositätsmessungen,die
während des laufenden Salzsprengtestes mit einer das Salz nicht auflösenden organischen Flüssigkeit (Heptan) durchgeführt wurden.
Die licht- und rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen beweisen, daß das Salz nicht in den großen Poren, sondern
bevorzugt in engen Kornzwickeln und Spaltenporen anzutreffen ist.
Mit der Methode der Kryopraparation wird Mirabilit erstmals im Porenraum von zwei Sandsteinen dargestellt.
Der Vorgang der Aufsprengung des Gefüges beim Phasenübergang ThenardiVMirabilit ist folgendermaßen anzunehmen: Beim
Trocknungsvorgang zieht sich der Thenardit in die engen Zwickelräume und Spaltenporen zurück. Bei lnitiierung der Umbildung des
wasserfreien in das wasserhaltige Natriumsulfat durch Wasserzufuhr (flüssig, Dampf) entsteht an Ort und Stelle das Mirabilitgitter und
bricht das Gesteinsgefüge von eng benachbarten Korngrenzen her auf.
ABSTRACT
The impact of frost and sah exposure upon the fabric of five different sandstone types is examined. The samples originate from different
geological epoches within the area of the Federal Republic of Germany. Emphasize is put on the process of ice and salt crystal forrnation
in Pore space and its structural implications.
A variety of stone specific properties as mineral and structural composition, rock strength and elasticity as well as Parameters
characterizing Pore space are examined. These data provide the starting point for subsequent weathering experiments.
The process of ice growing was initiated in rock samples with a defined Pore space filling reaching from 0.5 to 1.O.
Following examination methods are used: measuring of porosity, of dynamic Young's modulus, of temperature and of length change
and at the Same time light and scanning electron microscopy. With the cryopreparation a new method of direct observation of ice crystals
in Pore space of sandstones in a SEM is presented.
All samples investigatedshow contraction if they are partiallywater saturated and expansion if they are saturated. This characteristic
behaviour is also observed at lower temperatures. Quantitatively, however, the results depend on the individualsample properties. The
effects are more pronounced for samples with higher clay and micropore content. Although partially water filled sandstones with a high
degree of clay minerals contract with freezing, after thawing they show a positive dilatation.
In an initial stage water freezes only in capillary Pore spaces at temperatures slightly below 0°C (primaty stage of ice growth). Due
to surface relatedforces the water in the micropores itself remains liquidand only migrates towards the existing ice crystals in the capillary
rock pores and freezes there if heat is further reduced (secondary stage of ice growth). For partially water saturated sandstones this is
the origin of the obsewed contraction. In case of saturated materialthis is the reason for continuingexpansion after finishing ice growth
duringthe primary stage. Afterthawing the expanded fabric of partiallysaturated material is explainedby ice growth within the secondary
stage and the preferential ice formation in the smaller capillary pores.
Direct observation of ice crystals in Pore space with the SEM shows, that in partially water filled sandstones only the surface of the
larger capillary pores are covered with an ice layer while the smaller pores are often completely filled with ice.
The effectiveness of the secondary ice growth mechanism is demonstrated in a longtime experiment carried out on partially water
saturated clayey sandstone.
In the Same type of experiments all water saturated samples display an initially steep increase of the porosity (corresponding to a
decrease of the dynamic Young's modulus since both quantities are inverse proportional) which later on saturates. In contrast to partially
saturated samples microfissuration of stone structure can be directly observed in the microscope.
Salt weathering is simulated by using the salt system thenarditelrnirabilite. Changes in stone structure were recorded by mass change
graphs, by measuring of porosity and dynamic Young's modulus, and with help of light and scanning electron microscopy.
A simple model to calculatethe degree of Pore filling with salt is derived from the maximas in the graphs of mass changes. This model
suggests that burts of the stone fabric solely due to volume expansion when thenardite transforms into mirabiliteonly plays a minor role.
Similar results are obtained from measurements when the crystallizationtest is interrupted an Pore volume is measured with heptane
which does not dissolve the salt.
Conventional microscope pictures as well as electron micrographs demonstrate that salt accumulates preferentially in small Pore
spaces but not in large ones. Using the method of cryopreparationwe are able to detect mirabilite for the first time in Pore spaces of
sandstones.
The mechanism of salt wedging resulting from the phase transition thenarditelmirabilitecan be assumed as follows: While drying
thenarditeaccumulates in the smallest pore spaces. If water is added (liquidor damp) the water free modificationtransforms into the water
containingnatriumsulfate, and a mirabilitelattice isformed insidethesmall pores. As a consequence the stonefabric in thevicinity of grain
boundaries breakes up.
Günther WEISS
L'etude suivante traite des effets resultant de I'action du gel et des sels sur la structure interne de cinq natures de gres provenant de
differentes epoques geologiques de la Republique Federale Allemande. Le processusdynamique de la cristallisation des sels et du gel
dans les pores est particulierernent mis en evidence.
Les differentes natures des pierres permettaient d'enregistrer Une multitude de criteres et de characteristiques, par exemple le
caractere rnineralogique des roches, des proprietes de la struccture interne ainsi que des criteres concernant I'espace des pores, la
solidite et la deforrnation des pierres. II en resulte la conaissance des differentes conditions geologiques des roches necessaire a la
simulation de la desintegration qui ete effectuee par la suite.
La simulation du processusde la formation de gel a ete realisee sur des eprouvettes rnontranttoujours un coefficient d'HIRSCHWALD
bien defini (de 0,5 a 1,O).
On a applique, a cet effet, les methodes de recherche suivantes: la porometrie, la mesure d'elasticite et de temperature, I'etude
dilatometriqueainsi que la microscopieet le microscopieelectronique. La methode de la cryopreparationrepresente un procedenouveau
qui permet d'obsewer directement le gel dans les pores des gres au MEB.
Parrni toutes les natures de gres examinees on a constate que le eprouvettes d'une saturation partielle rnontraient Une contraction
de la structure interne tandis que les eprouvettessaturees completement rnanifestaientUne expansion. Meme a des temperaturesplus
basses,cesdeux processusse poursuivaient. Leur dimensionvariait selon la nature des pierres et rnontrait une tendance a lacroissance
allant de pair avec Une augrnentation de la teneur en mineral d'argile et de rnicro-pores. En depit de la contraction les gres argiliferes a
saturation partielle demontraient Une expansion de la structure interne apres le degel.
Ces phenornenes peuvent etre expliquesa I'aide de deux phases de forrnation de glace ayant lieu a des moments differents. D'abord
I'eau gele dans les pores capillaires a des ternperaturesse situant quelque peu au dessous de 0°C (formationde glace prirnaire). Du a
I'activite des forces de tension superficielle I'eau dans les micro-pores reste encore liquide a ce rnornent-laet ne rejoint les cristaux de
glace dans les porescapillairesqu'apres Une nouvelle baisse de la chaleur (forrnationde glace secondaire). Dans le cas d'une saturation
partielle ,celaegendre Une contraction tandis qu'une saturation cornplete entraine Une expansionsupplernentaire de la structure interne
apres la fin de la forrnation de glace prirnaire. Les gonflements de la structure interne qu'on obsewe apres le degel des gres satures
partiellernentpeuvent eire expliques a I'aide de la forrnation de glace secondaire et par le developpernent preferentiel de la glace dans
les pores capillaires les plus petits.
C'est particulierernent I'observation directe de la glace dans les pores des differentes natures de gres a I'aide du microscope
electronique qui conforte cette derniere conclusion. Dans les gres a saturation partielle les pores capillaires plus grands ne portent Une
carapace de glace qu'en bordure des pores qui s'accroit Vers I'interieur du vide, tandis que les pores capillaires plus petits peuvent eire
remplis d'eau entierement.
Une essai de long duree realise sur un "Schilfsandstein" (gres allemand) a saturation partielle permet de verifier I'activite de la
formation de glace secondaire.
Au cours du rneme essai, les eprouvettes a saturation cornplete montrent toutes d'abord Une caurbe forternent ascendante de la
porosite qui s'abaisse par la suite ou respectivernent Une diminution de I'elasticite qui varie selon la nature des pierres. Le deux facteurs
sont indirecternentproportionnels.Au contraire des eprouvettes saturees partiellementon peut ici observer directernentles desintegrations de la structure interne au microscope.
La sirnulation de la rupture du sel est effectuee a I'aide du systerne de sel ThenarditeIMirabilite. On a enregistre la rnodification de la
structure interne a I'aide de courbes indiquant I'alteration des rnasses, des rnesures concernant le module d'elasticite dynarnique et la
porosite ainsi que grace a la microscopie et au rnicroscopie electronique. En Se basant sur les rnaxirna des courbes dernontrant la
rnodificationdes masseson presenteun modele simplequi permet de calculer le degre de remplissage des poresavec du sel. Ceci prouve
qu'il est peu probable que la rupture de la structure interne soit due uniquement a I'activite de I'expansion integrale du volume lors de
la transition de Thenardite en Mirabilite. On a atteint des resultats similaires a I'aide de mesures de porosite qui, au cours de I'essai de
la rupture du sel, ont ete effectuees a I'aide d'un liquide organique (Heptane) dans lequel le sel ne se dissoud Pas.
La microscopie et le rnicroscopie electronique mettent en evidence que le sel ne se situe pas dans les grands pores, mais de
preference dans les petits pores etroits.
La methode de la cryopreparation permet de rnontrer pour la premiere fois le Mirabilite dans les pores de deux differents gres.
On suppose que le procede de la rupture de la structure interne lors du passageThenarditehiirabilitese deroule de lafagon suivante:
Lors du sechage le Thenardite Se retire dans les pores etroits. Au cours du commencement de la transformation du sulfate de sodium
non hydrateen sulfate hydrate paradductiond'eau (liquide,vapeur)lastructuredu Mirabiliteest creesurplaceet rompt lastructureinterne
des pierres Ia ou les contours des grains sont les plus rapproches.
Münchner Geowiss. Abh. (B) 9
Inhaltsverzeichnis
Seite
Vorwort ..............................................................................................................................................................................
Liste der im Text verwendeten Abkürzungen ....................................................................................................................
10
10
......................................................................................................................................
11
Einführung und Problemstellung
Untersuchte Gesteine ......................................................................................................................................................
13
Auswahlkriterien ...........................................................................................................................................................
13
Geologische Herkunft und technische Verwendung als Baustein ....................................................................................
13
Lindlarer Grauwacke .........................................................................................................................................................
Lossburger Sandstein ......................................................................................................................................................
Seedorfer Sandstein ........................................................................................................................................................
Heilbronner Sandstein ................................................................................................................................................
Velpker Sandstein ............................................................................................................................................................
13
13
13
14
14
Gesteinsspezifische Parameter ...................................................................................................................................
14
Untersuchung der sedimentologischen und diagenetisch bedingten Eigenschaften ........................................................
14
Untersuchungsmethoden zur Erfassung der mineralogischen und Gefügeeigenschaften ..............................................
Modalbestand ...................................................................................................................................................................
Korngrößenverteilung ........................................................................................................................................................
Sonstige Gefügeeigenschaften ........................................................................................................................................
14
17
17
19
Untersuchung porenraumbezogener Merkmale ................................................................................................................
19
Porosität und Wasseraufnahrne ........................................................................................................................................
Kapillare Wasseraufnahme ..............................................................................................................................................
Hygroskopische Wasseraufnahme ..................................................................................................................................
Dampfförmiger Wassertransport ......................................................................................................................................
Porengrößenverteilung und Porengeometrie ....................................................................................................................
19
20
22
24
27
Festigkeits- und Verformungseigenschaftenunter mechanischer Beanspruchung ..........................................................
30
30
31
31
32
32
Dichte und Trockenrohdichte ........................................................................................................................................
Biegezugfestigkeit und Druckfestigkeit ............................................................................................................................
Allgemeines zur Gesteinsverformung unter statischen und dynamischen Bedingungen ................................................
Statisch bestimmter E-Modul aus dem Biegezugversuch ................................................................................................
Dynamisch bestimmter E-Modul mit dem GRINDOSONIC-Verfahren ..........................................................................
Verformungseigenschaftenunter hygrischer und thermischer Beanspruchung
............................................................. 37
Hygrische Längenänderung ..............................................................................................................................................
Thermische Längenänderung ....................................................................................................................................
37
38
Thermophysikalisches Verhalten .................................................................................................................................
40
Zusammenfassung der Ergebnisse zur Ermittlung der gesteinsphysikalischen Parameter
............................................ 41
Temperaturverwitterung ....................................................................................................................................................
42
Die Eisbildung im Porenraum von Sandsteinen und ihre Auswirkung auf das Gefüge ...................................................
43
Wasser .Eigenschaften und Verhalten im Porenraum ..............................................................................................
43
Theorien zur Frostverwitterung im Spiegel der Literatur ..................................................................................................
44
Volumenexpansions-Modell..............................................................................................................................................
Hydraulischer Druck ..........................................................................................................................................................
Linearer Wachstumsdruck ................................................................................................................................................
"Ordered watet"-Modell ....................................................................................................................................................
Kapillardruck-Modell ..........................................................................................................................................................
Thermodynamisches Modell ............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................................
"EislinsenW-Modell
44
45
45
45
46
47
47
Simulation der Frostverwitterung im Labor und Möglichkeiten zum Nachweis von dadurch bedingten GefügeVeränderungen ............................................................................................................................................................
48
..............................
Versuchsaufbau und Präparation der Proben ..................................................................................................................
Längenänderungsverhaltenteilgesättigter Proben ..........................................................................................................
Längenänderungsverhaltenvollgesättigter Proben ..........................................................................................................
Anwendung der Methode der Kryopräparation zur Untersuchung der Verteilung des Eises im Porenraum ....................
Vorbereitung der Proben ..................................................................................................................................................
Vorgänge im unterschiedlich gesättigten Porenraum von Sandsteinen beim erstmaligen Gefrieren
Die Methode der Kryopräparation ....................................................................................................................................
Untersuchungsergebnisse ................................................................................................................................................
Gefügeveränderungen bei vielfachem Gefrieren und Auftauen an unterschiedlich gesättigten Proben
49
49
49
54
56
56
59
59
.......................... 61
Günther WElSS
Seite
Gefügeveränderungenan teilgesättigten Proben .........................................................................................................
Der Einfluß des Sättigungsgrades...............................................................................................................................
Gefügeveränderungen an vollgesättigten Proben ..........................................................................................................
61
69
71
Schadensbilder an Sandsteinen im makroskopischen. mikroskopischenund ultramikroskopischen Bereich
infolge der Eisbildung in ihrem Porenraum ....................................................................................................................
78
Ubertragbarkeit der Laborergebnisse auf das tatsächliche Verhalten am Bauwerk ..................................................... 78
Zusammenfassung der Ergebnissezu den Untersuchungenzur Eisbildung im Porenraum von Sandsteinen
und ihrer Auswirkungen auf das Gefüge .....................................................................................................................81
Die Salzkristallisation im Porenraum von Sandsteinen und ihre Auswirkung auf das Gefüge
-
......................................
82
Salze Art, Herkunft, Verbreitung und Verhalten im Porenraum ....................................................................................
82
Theorien zur Salzverwitterung im Spiegel der Literatur .......................................................................................
Hydrostatischer Kristallisationsdruck ..............................................................................................................................
Linearer Wachstumsdruck ..............................................................................................................................................
Hydratationsdruck ..........................................................................................................................................................
Kapillardruck-Modell ...............................................................................................................................................
"Salzfilmn-Modell ............................................................................................................................................................
Osmotischer Druck ........................................................................................................................................................
Beeinflussung hygrischer und thermischer Effekte ........................................................................................................
Der Kristallisationstest mit Natriumsulfat zur Simulation der Salzverwitterung im Labor ................................................
Die Auswertung des Kristallisationstestes mit herkömmlichen Methoden ......................................................................
Phänomenologische Betrachtung des Schadensablaufes ............................................................................................
Der Verlauf der Massenanderung .............................................................<....................................................................
Begleitende Untersuchungenwährend des Kristallisationsversuches
..........................................................................
Die Änderung der Porosi€äl durch Salzeinlagerung und -Sprengungwährend des Versuchsablaufes ..........................
Modell zur Berechnung der Fiillung des Porenraumes mit Salz ....................................................................................
Die Anderung des dynamischen E-Modulswährend des Versuchsablaufes ..............................................................
Mikroskopische Untersuchungen zu den Auswirkungen der Salzkristallisation auf das Gefüge van Sandsteinen........
LichtmikroskopischeUntersuchungen............................................................................................................................
RasterelektronenrnikroskopischeUntersuchungen ......................................................................................................
Einsatz der Kryopräparationzur elektronenmikroskopischenDarstellung von Mirabilit ................................................
89
91
92
94
94
103
103
Zusammenfassende Betrachtung zum Zerst6rungsmechanismus des Kristallisationstestes mit Natriumsulfat ............ 104
Übertragbarkeit der Laborergebriisseauf das tatsächliche Verhalten am Bauwerk
......................................................
105
Zusammenfassung der Ergebnisse zu den Untersuchungenzur Salz(um)kristallisation im Porenraum von
Sandsteinen und ihrer Auswirkung auf das Gefüge ................................................................................................. 105
Zusammenfassung
......................................................................................................................................................
Literaturverzeichnis .....................................................................................................................................................
107
109
ANHANG
I.
Verzeichnis der Tabellen ................................................................................................................................................
115
II.
Verzeichnis der Abbildungen ..........................................................................................................................................
MünchnelG~owissAbh (B)9
116
Vorwort
Mitte der 80er Jahre starteten Vertreter des Bundesministeriumsfür Forschung undTechnologie(BMFT) ein Verbundprojekt mit den verschiedensten Forschungsinstitutionen (u.a.
dem Institutfür Allgemeine und Angewandte Geologie der Universität München) zur "Erhaltung historischer Bausubstanz in
der Denkmalpflege". Ziel war und ist es, den genauen Ursachen des Zerfalls der Natursteinsubstanz kunsthistorisch
wertvoller Denkmäler und Gebäude auf die Spur zu kommen
und die nötigen Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Die vorliegende Arbeit ist ein kleiner Schritt in die Richtungder Verwirklichung dieses Zieles.
Mein Dankgilt insbesondere Herrn Prof. Dr. W.-D. GRIMM für
das entgegengebrachte Vertrauen bei der Vergabe dieses
Dissertationsthemas an mich und für seine wissenschaftliche
Betreuung während der Arbeit.
Dem BMFT danke ich für die finanzielle Unterstützung
durch Personal- (Mai 86 bis September 87) und Sachmittel (bis
Oktober 88).
Herr Prof. Dr. D. D. KLEMM gewährte mir eine befristete
Anstellung als wissenschaftlicher Mitarbeiter von April 89 bis
August 89.
Für die Überlassungeines Arbeitsplatzes am Institut bin ich
Herrn Prof. Dr. H. MILLER dankbar.
Herr Prof. Dr. R. SNETHLAGE gestattete mir die Mitbenutzung der Einrichtungen des Zentrallabors des Bayerischen
Landesamtes für Denkmalpflege.
Herr Dipl.-lng. A. F. ALDRIAN (Graz) und seine Mitarbeiter
ermöglichten mir die Anfertigung rasterelektronenmikroskopischer Spezialaufnahmen am Zentrum für Elektronenmikros-
kopie in Graz.
Herr Dip1.-Geol. K. RAACKE (Materialprüfamt für das Bauwesen der TU München) stellte mir mit dem GRINDOSONICGerät ein sehr wichtiges Hilfsmittelfür meine Untersuchungen
unentgeltlich zur Verfügung.
Herr Dr. J. FROH (Institut für Geologie der TU München)
und Herr Dr. U. SCHWARZ unterstützten mich bei den "normalen" rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen.
Herr Dr. E. WENDLER und Herr Dipl.-Geol. L. SATTLER
trugen mit ihrer praktischen Unterstützung und ihren wissenschaftlichen Anregungen zum Gelingen dieser Arbeit bei.
Herr Dr. H. E T L und Herr Dr. H. SCHUH gaben mir in der
Anfangsphase der Arbeit hilfreche Hinweise zur Probenpraparation und zur praktischen Durchführung gesteinsphysikalischer Untersuchungen.
Herr P. FURST, Frau A. DAHLHAUS und Frau B. SOMMER standen mir bei der Bewerkstelligung technischer Probleme, bei der Dünnschliffpraparation bzw. in Fragen der Literaturbeschaffung helfend zur Seite.
Frau C. KLEY verdanke ich ein zeitsparendes EDV-Programm zur Auswertung von E-Modul-Messungen.
Ein besonderer Dank gilt meinen Kollegen J. BEYER, E.
ERFLE und M. SIMPER, stellvertretend für alle übrigen Mitglieder der "Friedhofsschänder und Denkmalgrapscher", für
das angenehme Arbeitsklima und den regen Erfahrungsaustausch.
Nicht zu vergessen in der Liste der Dankabzustattenden
sind meine Eltern, durch deren finanzielle Unterstützung die
Fertigstellung dieser Arbeit letztendlich möglich war.
Liste der im Text verwendeten Abkürzungen
Abkürzungen im Text
Länge [mm]
H
L
P
Gewicht der trockenen Probe [g]
Gewicht der Probe unter Auftrieb [g]
Gewicht der vollkommen wassergesättigten Probe [g]
Porosität [Val.%] [ ]
Druck [Nimm?
Schmelzenthalpie [kJ]
Molare Gaskonstante [J*rn~l-~*K-']
Korrelationskoeffizient[ ]
Porenradius [pm]
Relative Luftfeuchte [%I
Sättigungsgrad [ ]
Kritischer Sättigungsgrad [ ]
Relativer Imprägnierungsgrad [ I
Temperatur [K] ["C]
Zeit [SI
[min] [h] [d]
Volumen [cm3]
Gesamtvolumen [cm3]
Porenvolumen [cm3]
Feststofivolumen[cm3]
Wasseraufnahrne unter Atmosphärendruck [Gew.%]
Wasserkapazität [rn3/m3][Val.%]
Wasseraufnahme unter Vakuum [Gew.%]
Längenausdehnungskoeffizient [pmlm]
Wärmeleitfähigkeit [W*m-l*K-i]
Bezogene Längenänderung[pmlrn]
Hygrische Dehnung [prn/m]
Trockenrohdichte [g/cm3]
Dichte von Wasser [g/crn3]
Dichte [g/cm3]
Wasserdarnpfdiffusionswiderctandszahl[ I
Poissonzahl [ 1
Kreiszahl [ ]
Oberflächenspannung[Nlrn]
Biegezugfestigkeit[N/mm2]
Druckfestigkeit[N/mm2]
s
VI
VII
Brn.
DMS
Fsp.
F m
Gb.
Gli.
Lsg.
Qz.
REM
T.
Tm.
0
[1
Heilbronner Sandstein
Lindlarer Grauwacke
Lossburger Sandstein
Seedorfer Sandstein
Velpker I Sandstein
Velpker II Sandstein
Bindemittel
Dehnungsmeßstreifen
Feldspat
Frost-Tau-Wechsel
Gesteinsbruchstücke
Glimmer
Lösung
Quarz
Rasterelektronenmikroskop
Tränkung
Tonminerale
Durchmesser
Dimensionslose Größe
Abkürzung physikalischerGrößen
Wasseraufnahmekoeffizient[kg*m-2*h-1E]
Spezifische innere Oberfläche [rn2/g]
Wassereindringkoeffizient [mm/sin]
Breite [mm]
Konzentration [moül]
Spezifische Wärmekapazität [kJ*kg-I*K']
Dicke [mm]
Elastizitätsmodul[kN/rnmq
Elastizitätsmoduldes bruchfrischen trockenen
Materials [kN/mmZ]
Dynamisch bestimmter Elastizitätsmodul[kN/mmZ]
Statisch bestimmter Elastizitätsmodul[kN/mm2]
Kraft [NI
Füllungsgrad der Poren mit Salz [ I
Höhe [mm]
Sättigungsfeuchtigkeitsgehalt[Val.%]
Feuchtigkeitskapazität [Val.%]
Günfher WElSS
1. Einführung und Problemstellung
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen eines am Institut
für Allgemeine und Angewandte Geolgie der Universität
München in den Jahren 1986-1988 unter der Leitung von Prof.
Dr. W.-D. Grimm laufenden Forschungsvorhabens, das vom
BundesministeriumfürForschung undTechnologie unter dem
Kennzeichen BAU 5015 E finanziell gefördert wurde. Darin
wurden die Erscheinungsbilder, Merkmale und Umwelteinflußfaktoren der ~ e r w i t t e r u nvon
~ Denkmalgestein am Beispiel von Grabmal-Naturwerksteinen behandelt.
Als spezielleAufgabe innerhalb des 0.a. Forschungsprojektes
sollte die Frost--undSalzwirkung auf das Gefüge von Naturwerksteinen durch Simulation im Labor nachvollzogen und
beschrieben werden, um ein besseres Verständnis für diese
Vorgänge in der Natur zu erlangen und daraus resultierende
Verwitterungsphänomene den entsprechenden Beanspruchungen zuordnen zu können. Die Beschreibungder Strukturveränderungen der Gesteine infolge des künstlich induzierten
Hilfe einer speziellen Tieftemperaturtechnik die Betrachtung
von Eis und Mirabilit im REM möglich. Allerdings erhält man
auch mit dieser Methode nur "Momentaufnahmen" vom Kristallwachstum in den Hohlräumen. Die angestrebte visuelle
Wahrnehmung des dynamisch verlaufenden Prozesses der
Eisbildung sowie der Salz(um)kristallisation in den Poren war
nicht durchführbar und scheint mit den derzeit zur Verfügung
stehenden Hilfsmitteln auch nicht erreichbar zu sein.
Die Frost- und Salzverwitterung sind wie alle Verwitterungsvorgänge sehr komplex und können im Labor nur in grober
Annäherung nachvollzogen werden. Die Abb. 3 zeigt die
wichtigsten Einflußfaktoren auf, die in der Natur für die 0.a.
Verwitterungsvorgänge eine Rolle spielen.
Gemeinsam mit den klimatischen Einflüssen steuern die
Gesteinseigenschaften den "Wasserhaushall' in einem Gestein, der außerdem von den am Bauwerk vorzufindenden
Beobachtung dss
Elwmhstums Im P o r o w
r l t HIlfa dar
Kryopröpomtlon
Abb. 1: Konzept zur Untersuchungder Eisbildung im Porenraum
Verwitterungsfortschrittes sollte sowohl über direkte, visualisierende Methoden (Mikroskopie) als auch über indirekte
Verfahren (z.B. Messung des dynamischen E-Moduls) erfolgen. Ebenso war die direkte Beobachtung des Eis- und Salzkristallwachstums in den Porenräumen der Gesteine geplant.
InAbb. 1 und Abb. 2 ist das Konzept zur Untersuchungder Eisbildung bzw. des Salzkristallwachstums in den Porenräumen
und der daraus resultierenden Gefügeveränderungenwiedergegeben, das in beiden Fällen sehr ähnlich ausfiel. Für die
Simulation der Salzverwitterung wurde auf das Salzsystem
ThenarditIMirabilit zurückgegriffen.
Insbesondere die direkte Beobachtung der Eis- bzw. Salzkristalle bereitete anfänglich Schwierigkeiten. So war erst mit
Münchner Geowiss. Abh. (B) 9
Bedingungen (Mikroklima) modifiziert wird. Die Größe "Wasserhaushalt" ist hier als Oberbeqriff für Parameter wie absoluter Feuchtegehalt, ~euchtevertiilun~,
Feuchtebewegungetc.
zu verstehen. Die bislana aenannten Faktoren und die Zeit als
weiteres wichtiges ~ l e & t bestimmen, ob und in welchem
Ausmaß Frost- und Salzverwitterungsvorgänge an einem
Bauwerk stattfinden.
Gerade die mit der Feuchte verknüpften Randbedingungen, die im Zusammenhang mit der Frost- und Salzverwitterung von besonderer Bedeutung sind, wurden am Bauwerk
bzw. in der Natur bislang nur unzureichend quantifiziert. Aufgrund dieser Unsicherheitgehen die Meinungen innerhalb der
Literatur über die Verantwortung der beiden Verwitterungsphänomene für den Zerfall von Natursteinen im mitteleuropäischen Klimabereich weit auseinander.
I
Rmdbodlnsungan der Simulotlon 1
Eauiallung &r Vanindarunp
der Korn-ai-Kom-Kontdrta
Ponnmun mlt Hilfe
ipaziell pniporiertar Pmben
Im Llcht- und Roatenloktmnan-
Abb. 2: Konzept zur Untersuchung der Salz(urn)kristallisationim Porenraurn
Abb. 3: Einflußfaktoren auf die Frost- und Salzverwitterung arn Bauwerk
Diese Arbeit versucht, einen Beitrag zur Klärung des Ablaufes
beider Verwitterungsvorgänge unter definierten Bedingungen
zu leisten. Unter Berücksichtigung der ermittelten gesteins-
spezifischen Eigenschaften wird die Übertragbarkeit der im
Labor gewonnenen Ergebnisse auf die Gegebenheiten in der
Natur angesprochen.
Günther WElSS
2. Untersuchte Gesteine
Unterschiedliche Bildungsbedingungen für Magmatite, Metamorphite und Sedimentite bewirken ein unterschiedlichausgebildetes Porensystem bei diesen Gesteinsarien. Selbst innerhalb der Gruppe der Sedimentite ist die Porenvernetzung bei
den Sandsteinen mit derjenigen bei den Karbonatgesteinen
kaumvergleichbar. Dadas Porensysteminsbesondere bei der
Eis- und Salzkristallisation eine entscheidende Rolle spielt,
wurden die Untersuchungen daher auf Sandsteine beschränkt, um wenigstensfür diese Gruppe am Ende repräsentative Aussagen treffen zu können.
2.1. Auswahlkriterien
Zwei Punkte standen bei der Auswahl der Sandsteine im Vordergrund:
- Heranziehung weniger bekannter Denkmalsgesteine als
Beitrag zur Sammlung gesteinsphysikalischer Daten an
Naturwerksteinen der Bundesrepublik Deutschland
- unterschiedliche Verwitterungsresistenz
Um der letzten Forderung gerecht zu werden, wurden 35 verschiedene Sandsteine in einem Vorversuch einem Kristallisationstest mit Natriumsulfat unterzogen. Bei den daraus ausgewählten Gesteinen handelt es sich um: Lindlarer Grauwacke.
Lossburger Sandstein, Seedorfer Sandstein, Heilbronner
Sandstein, Velpker Sandstein.
2.2. Geologische Herkunft und Verwendung als Baustein
In diesem Kapitel werden zu den ausgewählten Sandsteinen
in einer kurzen Darstellung einige Daten zur lithologischen
Ausbildung, zur Stratigraphie, zu den Ablagerungsbedingungen, zum heutigen Abbauort, zur Verwendung als Baustein
inclusive einiger Beispiele und Beobachtungen zur Verwitterung am Bauwerk unter "natürlichen" Verwitterungsbedingungen sowie Literaturhinweise gegeben. Die Möglichkeiten der
Verwendungwie auch die aufgeführten Verwendungsbeispiele erheben nicht den Anspruch auf Vollständigkeit.
2.2.1. Lindlarer Grauwacke
Kurzbeschreibung: Grauer bis grünlicher, feinkörniger
Sandstein, lagenweise Anreicherung
von calcitischen Trochitenstielgliedern,
häufig mit bräunlichen Eisenhydroxidschlieren.
Stratigraphische
Devon (Eifel); dem Unnenbergsandstein
Zuordnung:
zugehörig.
Küstennahe Sandsteinschüttung in ein
Ablagerungswährend des Mitteldevons bestehenbedingungen:
des, kleines Teilbecken (Lindlarer Bekken) der variszischen Geosynklinale.
Die flachmarine Ablagerung wird durch
die Anreicherung von Crinoidenstielgliedern in einzelnen Schwemmlagen belegt.
Abbauort:
Steinbruch an der Eremitage bei Lindlar,
Blatt 4910 Lindlar (Nordrhein-westfalen).
Verwendung:
Platten aller Art, (Grab-)Denkmale,
Treppen, Mauersteine, Einfassungen
(TürIFenster), Pflastersteine.
Kirche in Lindlar, Klosterkirche in RemBeispiele:
scheid-Lennep.
Allgemein sehr gute VerwitterungsresiVerwitterungsverhalten:
Stenz, selten Absanden und z.T. Abblättern zu beobachten.
Münchner Geowiss Abh (B) 9
Literatur:
DIENEMANN & BURRE (1929), HESEMANN (1975), SIMPER (1990)
2.2.2. Lossburger Sandstein
Kurzbeschreibung: Bräunlicher bis roter, fein- bis mittelkörniger Sandstein mit bräunlichen Tüpfeln
aus Eisenhydroxidverbindungen.
Trias (Oberer Buntsandstein); dem PlatStratigraphische
Zuordnung:
tensandstein zugehörig.
AblagerungsWährend des Oberen Buntsandsteins
kommt es im südwestdeutschen Bebedingungen:
reich, ausgehend vom Schwarzwald
und von den Vogesen, zu flächenhaft
aushaltenden, fluviatilen Sandsteinschüttungen nach Osten und Nordosten
in eine flache Aufschüttungsebene, die
zeitweilig unter einer geringmächtigen
Wasserüberdekkung stand. Beim dünnbankigen Plattensandstein belegen die
parallel zu den Schichtflächen eingeregelten Glimmer eine subaquatische
Ablagerung.
Steinbruch Heiligenwiesen bei LossAbbauort:
burg-Lombach, Blatt 7516 Freudenstadt
(Baden-Württemberg).
Bodenplatten, Mauersteine, GrabsteiVerwendung:
ne, Steinmetzarbeiten.
Beispiele:
Schloß Bruchsal, Schloß und Marrenkirche Ettlingen, Ehrenhof Universität
Karlsruhe.
Absanden, Abblättern und Abschalen
Verwitterungsbesonders parallel zu den Schichtfläverhalten:
chen.
Literatur:
FRANK (1944 und 1949). GEYER &
GWINNER (1986), LUKAS (1990)
2.2.3. Seedoifer Sandstein
Kurzbeschreibung: Bräunlicher bis roter, fein- bis mittelkörniger Sandstein, z.T. mit bräunlichen Eisenhydroxidflecken und einzelnen Entfärbungshöfen; eingeregelte Glimmer
treten häufig parallel zur Schichtfläche
auf.
Stratigraphische
Trias (Oberer Buntsandstein);dem PlatZuordnung:
tensandstein zugehörig.
Aufgrund der flächenhaften Verbreitung
Ablagerungsbedingungen:
des Plattensandsteins im südlichen
Bereich des Germanischen Beckens
gelten dieselben Sedimentationsbedingungen wie für den Lossburger Sandstein.
Steinbruch zwischen Seedorf und SulAbbauort:
gen, Blatt 7716 Schramberg (BadenWürttemberg).
Fassadenplatten, Fenster- und TürrahVerwendung:
mungen, Mauersteine, Denkmalsteine
und Skulpturen jeder Art.
Beispiele:
Kirche in Seedorf, Kirchen in der
Schramberger und Wolfacher Gegend.
Absanden, Abblättern und Abschalen
Verwitterungsverhalten:
vor allem parallel zu den Schichtflächen.
GEYER & GWINNER (1986), LUKAS
Literatur:
(1990)
14
2.2.4. Heilbronner Sandstein
2.2.5. Velpker Sandstein
Kurzbeschreibung: Gelbbrauner, fein- bis mittelkörniger
Sandstein mit schwärzlichen Nestern
inkohlter Pflanzenreste.
Stratigraphische
Trias (Mittlerer Keuper); dem SchilfZuordnung:
sandstein (= Schichtglied der StuttgartFolge) zugehörig.
AblagerungsWährend des Mittleren Keupers baut
sich im südlichen Teil des Germanibedingungen:
schen Beckens ein mächtiges Delta mit
Schüttungsrichtung Südwest vor. Breite
ausufernde Flusse beherrschen im
Raum des heutigen Heilbronn die Szenerie. Im ruhigen Wasser werden tonige
Sedimente ("Normalfazies") abgelagert,
zeitgleich kommt es im fließendenWasser zur Sedimentation des Schilfsandsteins in Form langgestreckter Sandsteinkörper("Flutfazies"). InkohltePflanzenreste, die von Schachtelhalmen
stammen undfrüherals Schilfreste interpretiert worden sind, gaben dem "Schilfsandstein" seinen Namen.
Abbauort:
Steinbruch Winterhaldenhau zwischen
Eppingen und Mühlbach, Blatt 6819
Eppingen (Baden-Wurttemberg).
Verwendung:
Massivbauten, Fassadenplatten, Bodenplatten, Treppen, (Grab-)Denkmale,
Bildhauerei.
Beispiele:
Kilianskirche Heilbronn, Ulmer Justizgebaude, Hoftheater Wiesbaden, Ornamente am Kölner Dom.
VerwitterungsMäßig verwitterungsbeständig, häufige
verhalten:
Verwitterungsphänomene sind Abblättern, Abbröckeln und Abschalen.
Literatur:
FRANK (1944 und 1949), GEYER &
GWINNER (1986), LUKAS (1990)
Kurzbeschreibung: Gelblicher bis weißer, fein- bis mittelkörniger Sandstein mit bräunlichen Eisenhydroxidverfarbungen und z.T. größeren Hohlräumen durch ausgewitterte
Pflanzenreste.
Stratigraphische
Trias (Oberer Keuper); Teil des MittelZuordnung:
rhäthauptsandsteins.
AblagerungsIm Oberen Keuper kommt es - ausgebedingungen:
hend von den heutigen Britischen Inseln - zu einem Meeresvorstoß nach
Süden. Der Velpker Sandstein markiert,
als Teil des Mittelrhätsandsteins, eine
kurzfristige Unterbrechung dieser Meeresingression in Ostniedersachsen.Aufgrund von Faziesanalysen darf man als
Sedimentationsraum das Flachwasser
eines sich nach Nordwesten in das
Becken vorbauenden Flußdeltasannehmen, wobei marine Einflusse nicht gänzlich auszuschließen sind.
Abbauort:
Steinbruch zwischen Velpke und Danndorf, Blatt 3531 Oebisfelde (Niedersachsen).
Verwendung:
Massivbauten, Bodenplatten, Fensterbänke, Fassadenplatten, (Grab-)Denkmale, Bildhauerei.
Beispiele:
Viele Bauten in Helmstedt,z.B. Rathaus,
Klosterkirche St. Marienberg und
St. Stephani-Kirche.
VewitterungsGute Vetwitterungsbeständigkeit,i allg.
verhalten:
nur Absanden, selten Abschalen zu
beobachten.
Literatur:
BATTERMANN (1989), DIENEMANN&
BURRE (1929), ERFLE (1990), SIKKENBERG (1951). ZEINO-MAHMALAT
(1970)
3. Gesteinsspezifische Parameter
Unter Verwitterung versteht man, speziell für den Fall der
Natutwerksteine, alle Veränderungen an deren Oberflächen
bzw. in deren Porenräumen, die durch physikalische und chemische Vorgänge direkt oder indirekt @.B. über Organismen)
bewirkt werden. Die Art und Weise, wie die Verwitterung
voranschreitet, wird hierbei von zwei wesentlichen Faktoren
bestimmt: einmal durch das Wetter als dem aktiven, agierenden Faktor und einmal durch das Gestein als dem passiven
Faktor, der auf die von außen wirkenden Kräfte nur reagiert.
Folglich werden sich unterschiedliche Gesteine, die dem gleichen Witterungsgeschehen unterliegen, i.allg. unterschiedlich
verhalten. Die Kenntnis von den Gesteinseigenschaften, die
vom Mineralbestand,vom Porenraum und im besonderenvom
Gefüge geprägtwerden, ist demnach für einesinnvolleverwitterungsforschung unerläßlich. Aus diesem Grunde werden im
folgenden Kapitel die wichtigsten gesteinsspezifischen Parameter der ausgewählten Sandsteine, insbesondere hinsichtlich ihrer Bedeutung für die Frost- und Salzvewitterung, besprochen.
Funktion des Bildungsortes, der vom alluvialen Schuttfächer
über Flußsysteme und Deltas bis hin zum Schelf- und Tiefseebereich reichen kann. Nach der Ablagerung kommt es durch
zunehmende Überdeckung und Versenkung zur Kompaktion
und durch diagenetische Vorgange zur Lithifizierung, begleitet
von tiefgreifenden Gefüge- und Phasenveränderungen; aus
dem ursprünglich klastischen Lockersediment ist ein Sandstein geworden, der uns heuteals Naturbaustoffzur Verfügung
steht. Dessen Phasenzusamrnensetzunaund Gefüaeausbildung bestimmen unmittelbarseine ~ater&lei~ensch&en.
Die
Methoden der Phasenidentifikation sowie die Zusammensetzung und Gefügeeigenschaftender ausgewählten Sandsteine
stehen im Mittelpunkt der nächsten Unterpunkte.
3.1 .l.Untersuchungsmethodenzur Erfassung der rnineralogischen und Gefügeeigenschaften
Die im geowissenschaftlichen Bereich gängigste Methode der
Untersuchung der Mineralzusammensetzungeines Gesteins
ist deren Bestimmung am Dünnschliff mit Hilfe des Polarisationsmikroskops. Zu jedem der ausgewähltenSandsteinewur3.1. Untersuchung der sedimentologisch und diageneden mindestenszweiDünnschliffe,wovon einer senkrecht und
tisch bedingten Eigenschaften
einer parallel zur Schichtung geschnitten war, angefertigt.
Bereits die in den Unter~unktenvon Punkt 2.2. aufaeführten
Mittelseines Zähltisches wurde der Phasenbestandpro Schliff
~ b l a ~ e r u n ~ s b e d i n ~haben
un~in
die Vielfalt der ~ Q ~ l i c h k e i -an 500 Punkten nach dem Point-counter-Verfahren aufgeten. unter denen Sandsteine entstehen können. anaedeutet.
nommen. Daneben waren die Korngröße, Kornform, die Kornzu-Korn-Kontakte sowie die räumliche Anordnung der Körner
~ie'~ineralzusammensetzun~
und die Reife eines abgelagerten Sandes (z.B. Kornforrn, Korngrößenverteilung) sind eine
beim Mikroskopieren von besonderem Interesse.
Gunther WEISS
Modalbestand der untersuchten Sandsteine
Lindlarer Grauwacke
Seedorfer Sandstein
Velpker I Sandstein
Lossburger Sandstein
Heilbronner Sandstein
Velpker II Sandstein
Abb. 4: Modalbestand der untersuchten Sandsteine
Zur Beurteilung der Korngrößenverteilung wurde eine Siebanalyse an den hierzu speziell aufbereiteten Sandsteinproben
durchgeführt.
Zusätzlich zur mikroskopischen Mineralzusammensetzung
erfolgte die Identifikation des tonigen Anteils des Bindemittels
über das Röntgendiffraktometer (RD). Hierzu wurde von jedem Sandstein ein Texturpräparat hergestellt (Vorgehen:
wenige Gramm des jeweiligen Sandsteins im Mörser zerreiben, im Reagenzglas in destilliertem Wasser aufschlämmen,
das gröbere Material absetzen lassen, wenige Tropfen der
überstehenden Suspension auf einen Objektträger pipettieren, trocknen lassen).
Münchner Geowiss Abh. (B) 9
Weitere wichtige Informationen zum mineralogischen Aufbau
und zum Gefüge ergaben sich aus Untersuchungen mit dem
Rasterelektronenmikroskop (REM), das mit einem EDAXZusatz ausgerüstet war. Aufgrund der hohen Auflösung und
Tiefenschärfe sowie des dreidimensionalen Eindruckes, der
dem Betrachter vermittelt wird, ist diese Methode besonders
für die Aufnahme von Gefügeeigenschaften im Detail geeignet.
Auf eine Quantifizierung der chemischen Zusammensetzung
über die Röntgenfluoreszenzanalyse wurde verzichtet, da
nach SNETHLAGE (1984: 21) der Pauschalchemismus eines
Sandsteins mit seinem Verwitterungsverhalten in keinem
Zusammenhang steht.
Schluff
fein
0.002
rni
Sand
t tel
grob
__tooo
0.0063
0.02
0.063
0.2
0.63
2
Korndurchmesser I m m I
Lindlarer Grw.
........ H e i l b r o n n e r Ssf.
--.
S e e d o r f e r Ssf.
---- Lossburger Sst.
V e l p k e r I Ssf
- - - V e l p k e r I I Ss f .
Abb. 5: Kornsummenkurvender untersuchten Sandsteine
Zur Vervollständigung der lichtmikroskopischen, rasterelektronenmikroskopischen und röntgendiffraktornetrischen Bestimmunaen kam noch das SCHEIBLER-Verfahren. das MÜL~ ~ ~ ( 1 9ausführlich
64)
beschrieben hat, zur ~ e s t i m m u des
n~
Carbonatgehaltes für jede Sandsteinart zur Anwendung.
3.1.2.Modalbestand
Der Modalbestandwurde wie oben erwähnt mit Hilfedes Pointcounter-Verfahrens bestimmt. Damit erhält man den Anteil der
einzelnen Mineralarten in Flächenprozent. Unterschieden
wird in dieser Arbeit in Quarz (Qz), Feldspat (Fsp), Gesteinsbruchstücke (Gb), Glimmer (Gli) und Bindemittel (Bm). Unter
der Vielzahl der moglichen Klassifikationsschemen, die fur
Sandsteine existieren und über die PETTIJOHN, POTTER &
SIEVER (1987: 141 ff.) berichten, gelangte dasjenige von
FÜCHTBAUER (1988: 100) zur Anwendung. Hierbei ist der
tatsächliche Modalbestand (einen Überblick für die einzelnen
Sandsteinarten liefert Abb. 4) auf die Hauptbestandteile
Quarz, Feldspat und Gesteinsbruchstücke umzurechnen
sowie der Tongehalt zu berücksichtigen.
In Tab. 1 sind die wichtigsten Daten zur Klassifikation, zum
Mineralbestand, zum Bindemittel und zum Carbonatgehalt
zusammengestellt.
Zum Velpker Sandstein ist zu bemerken, da6 innerhalb des
angelieferten Probematerials zwei Varietäten existigrten, die
sich äußerlich kaum, in ihrem Festigkeitsverhalten (siehe auch
3.3.) jedoch sehr deutlich unterschieden. Im folgenden Text
wird deshalb vom Velpker I Sandstein (Varietät mit hoher
Festigkeit) und vom Velpker II Sandstein (Varietät mit geringerer Festigkeit) die Rede sein. Die beiden Varietäten wurden
getrennt voneinander untersucht und abgehandelt.
MünchnerGeowiss Abh (B) 9
3.1.3. Korngrößenverteilung
Zur Ermittlung der Korngrößenverteilung von Festgesteinen
durch eine Siebanalyse ist eine Zerlegung in die einzelnen
Körner vonnöten. Dies geschah mit Hilfe des Na,SO,-Kristallisationstestes, dessen praktische Durchführung hinsichtlich
der Zerlegung eines Festgesteins in die einzelnen Komponenten bei NEY (1986: 60 f.) beschrieben ist. Eine Kontrolle der
Güte der Trennung erfolgte mit dem Binokular. Waren noch
zusammenhängende Kornaggregate vorhanden, dann wurden sie vorsichtig mit einem Gumrnipistill bis zur vollkommenen Dispergierung zerrieben. Nach der nassen Abtrennung
des Feinkornanteils über ein Sieb mit geeigneter Maschenweite (z.B. 0,04 mm) wurde der getrocknete Rückstand (im
Durchschnitt 50 g) trocken gesiebt.
Folgende Parameter sind aus den Summenkurven der
Kornverteilungen (Abb. 5) in Tab. 2 aufgelistet:
- Ql, Q„ Q:, Quartilwerte
- D„,@„, cD„: Grad-Phi-Werte (Durchmesser d = 2"" [mm])
- S:, Schiefe als Maß für die Asymmetrie der Verteilungskurve
Berechnung: S, = (Q,*Q,)/Q;
- MZ: Mittlere Korngröße nach FOLK & WARD
Berechnung: MZ= (@„ + @
, + @„)I3
(in Tab. 2 bereits in [mm] umgerechnet)
- So: Sortierung nach TRASK
Berechnung: So= (Q$QJ1"
- Bewertung der Sortierung nach FÜCHTBAUER
Nähere Erläuterungen zur Bedeutungdieser statistischen
Korngrößenparameter finden sich bei FUCHTBAUER (1988:
129 ff.).
Fünf der untersuchten Sandsteine rangieren in ihrer Korngröße im Bereich des Fein- bis Mittelsandes, lediglichdie Summenkurve der Lindlarer Grauwacke ist nach links, in den
18
Tab. 2: Korngrößenparameter der untersuchten Sandsteine
Gestein
Lindlarer Gw.
Lossburger Sst.
Seedorfer Sst.
Heilbronner Sst.
Velpker I Sst.
Velpker II Sst.
Q,
Q.2
Q3
I
m
@M
Imml
lmml
W1
W1
W1
S,
[ I
M,
[mml
So
imml
0,04
0,10
0,08
0,10
0,16
0,20
0,05
0,17
0,14
0,16
0,19
0,23
0,08
0,22
0,18
0,22
0,22
0,28
6,6"
4,00
4,32
3,79
2,79
2,46
4,19
2,56
2,86
2,63
2,39
2,09
3,45
2,06
2,26
2,12
2,09
1,83
1,02
0,76
0,73
0,86
0,98
1,06
0,04
0,14
O,11
0,14
0,19
0,23
1,47
1,48
1,50
1,48
1.17
1,18
t 1
Sortierung < 0.063 mm
[Gew.%]
mittelmässig
mittelmassig
mittelmassig
mittelmässig
sehrgut
sehrgut
52
17
20
14
3
0
* dieser Wert ist extrapoliert
Tab. 3: Gefügeeigenschaiten der untersuchten Sandsteine
Lindlarer Grauwacke
Lossburger Sandstein
Seedorfer Sandstein
Die Lindlarer Grauwacke zeigte in der
angelieferten Platte eine Feinschichtung
im Millimeterbereich, die im mikroskopischen Bereich durch die schichtparallel
eingeregelten Glimmer nachgezeichnet
wird.
Der Lossburger Sandstein weist außer
der schichtparallelen Einregelung von
Glimmerblättchen keine besonderen
Schichtungsmerkmale auf.
Beim Seedorfer Sandstein ist die Schichtung infolge der parallel zu den Schichtflächen angeordneten Glimmer auch im
Dünnschliff gut zu erkennen.
Seine Komponenten besitzen nur mäßige Zurundung ("subangular-subrounde d ) und eine geringe Sphärizität ("low").
Die einzelnen Körner sind aufgrund ihrer
plattigen Form (Sphärizität: "low", Rundung: "angular") parallel zu ihrer Längsachse in den Kornverband eingeregelt
und zeichnen die Schichtung nach.
Die Form der Körner ist beim Rundungsgrad überwiegend als "subangular-sibrounded", bei der Sphärizität als "low" einzustufen.
Aufgrund ihrer Feinkornigkeit kommt es
zu einer Vielzahl von ~ornkontakten,die,
obwohl einTeil von ihnen übertonioe Bindemittel stattfindet, die hohe ~ e g t i ~ k e i t
des Gesteins bewirken. Grenzen Körner
direkt aneinander, dann dominieren die
Lang-, die Konkav-Konvex- und die Suturkontakte (bedingt durch Drucklösungserscheinungen während der Diagenese). Selbst im REM können die einzelnen Komponenten durch ihre dichte
Packung nur sehr schwer voneinander
unterschieden werden.
Sind Trochitenstielglieder (calcitische
Einkristalle bis zu mehreren mm Größe)
vorhanden, dann sind sie über carbonatische Zemente bestens in den restlichen
Kornverband integriert.
Die Korn-zu-Korn-Kontakte sind z.T. direkt und z.T. indirekt über das tonig-ferritische Bindemittel entwikkelt. Die einzelnen Körner haben - bedingt durch Überzuge aus einem dünnen Filz aus Eisenoxiden, -hydroxiden und Illit - fast immer
eine sehr unregelmäßige, rauhe Obetfläche. Bei den direkten Kontakten, die vor
allem zwischen Quarzkörnern auftreten,
überwiegen die Lang- und die Suturkontakte {Drucklösung). Im REM stößt man
oftmals auf sekundäre Anwachssäume
aus SiO, um Quarze, die den betreffenden Körnern auf der dem Porenraum
zugewandten Seite eine idiomorphe
Gestalt verleihen.
Die Kornbindung erfolgt haufig indirekt
über die Bindemittel. Stoßen Quarze
aneinander, geschiehtdies meist in Form
von Langkontakten, zusätzlich sind viele
Quarze (aber auch Feldspäte) durch
30,-Anwachssäume miteinander verkittet.
Heilbronner Sandstein
Velpker ISandstein
Velpker IISandstein
Beim Heilbronner Sandstein sind außer
den schichtparallel eingeregelten Glimmern keine anderen Schichtungsmerkmale erkennbar.
Der Velpker I Sandstein ist gleichmäßig
strukturiert und weist keine Schichtungsmerkmale auf.
Der Velpker II Sandstein zeigt im Handstück eine undeutliche Feinschichtung,
die im Mikroskop nicht weiterzu verfolgen
ist.
Seine Komponenten sind eckig ("angular") und nur von geringer Sphärizität
("low").
Die Oberflächen der meisten Kömer
werden durch einen dichten Tonrnineralfilz (oft Kartenhausgefuge aus ChloritTonmineralen) verhüllt. Kommt es zu direkter Kornbindung, dann ist sie meist in
Form von Lang- und Konkav-KonvexKontakten vorhanden. Einzelne Kömer
zeigen durch Umlagerungsvorgänge
während der Diagenese idiomorphe Kristallformen (Anwachssäume).
Seine Körner sind mäßig gerundet ("subangular") und haben eine geringe Spärizität ("low").
Die Kornbindung erfolgt fast ausschließlich über direkte Korn-zu-Korn-Kontakte,
die meist in Form von Sutur-, daneben in
Form von Lang-, Konkav-Konvex- und
Punktkontakten vorliegen. Eine weitere
diagenetisch bewirkte Erscheinung neben den Suturkontakten sind die narbigen Si0,-Überzüge auf vielen Körnern,
die ineinander übergehen und damit die
Kornbindung unterstutzen. In Druckschattenbereichen haben die Körner
durch die sekundäre Anlagerung von
SiO, vielfach idiomorphe Gestalt angenommen.
Die Kornform entspricht in ihrer Rundung
und Sphärizität derjenigen des Velpker I
Sandsteins.
Die Kombindung erfolgt meist über direkte Korn-zu-Korn-Kontakte, seltener über
das kaolinitische Bindemittel. Bei den
direkten Kornkontakten herrschen die
Lang-, die Konkav-Konvex- und die
Suturkontakte vor. Anwachssäume, die
die Kombindung unterstützen, treten gegenüber dem Velpker I Sandsteins etwas
zurück. Auffällig ist, daß die Mehrzahl der
Körner durch schmale, die Korngrenzen
nachzeichnende enge Poren voneinander getrennt ist.
Günther WElSS
Bereich des Feinsandes, verschoben. Außer den beiden
Varietäten des Velpker Sandsteins, die eine sehr gute Sortierung besitzen, weisen alle anderen eine mittelmäßige Sortierung auf, was für das Gefüge sowie die Ausbildung der
Porengeometrie von großer Bedeutung ist. Vergleicht man
den Anteil des Bindemittels aus dem Point-counter-Verfahren
am Dünnschliff mit dem Anteil der Fraktion C 0,063 mm ausder
Siebanalyse (i.allg. überwiegend Tonmineralien und damit
dem Bindemittel gleichzusetzen), ergibt sich eine gute Ubereinstimmung. Nur bei der Lindlarer Grauwacke ist - bedingt
durch eine extreme Kleinkörnigkeit der Komponenten - eine
Ausnahme von dieser Regel festzustellen.
3.1.4. Sonstige Gefügeeigenschaften
Das Gefüge eines Gesteins ist nach HOHL (1981: 600) ein
Zusammenspiel von Textur (= räumliche Anordnung und
Verteilung der Gemengeteile im Raum) und Struktur (= Mineralphasen und Art des Zusammentretens). Zur "'Art des Zusammentreten~"zählen die Kornform und die Art der Korn-zuKorn-Kontakte. Letztere werden im folgenden nach TAYLOR
(in PETTIJOHN, POTTER & SIEVER 1987: 85), erstere nach
der englischsprachigen Terminologie nach POWERS (in
FÜCHTBAUER 1988: 142) beschrieben. Da keine eigenen
Geländebeobachtungen angestellt werden konnten, mußte
sich die Angabe dertexturellen Eigenschaftenauf die im Handstückbereich erkennbaren beschränken. Die Beschreibung
der einzelnen Sandsteinarten erfolgt in Tab. 3 in Spaltenform.
3.2. Untersuchung porenraumbezogener Merkmale
Innerhalb der physikalisch bedingten Verwitterungsarten nehmen nach MIRWALD (in BERUFSBILDUNGSWERK DES
STEINMETZ- UND BILDHAUER-HANDWERKS E.V. 1987:
969) diejenigen, die in Kooperation mit Wasserstehen (Frost -,
Salzverwitterung, Feuchte-Trocken-Wechsel) eine besondere Stellung ein. Zum Verständnis dieser, aber auch der chemisch bedingten Verwiiterungsvorgänge, ist nach SNETHLAGE (1984: 33) dasverhalten des Wassers von grundlegender Bedeutung. Dieses Verhalten wird in erster Linie vom Porenraum des betreffenden Gesteins gesteuert, der die aufgenommene Wassermenge, den Wassertransport und die zur
Verfügung stehende Reaktionsoberfläche bestimmt. In den
folgenden Punkten wird versucht, die Porenraumeigenschaften durch entsprechende Kenngrößenzu charakterisieren und
zu quantifizieren.
3.2.1. Porosität und Wasseraufnahme
Bei der Porosität wird zwischen der effektiven und der totalen
Porosität, die auch in sich abgeschlossene Poren beinhaltet,
unterschieden. Da für Verwitterungsprozesse nur der vom
Wasser erreichbare Porenraumvon Interesse ist, ist im folgenden - wenn von Porosität die Rede ist immer die effektive
Porosität n gemeint. Sie ist definiert als:
entionisiertem Wasser getränkt und verblieb anschließend zur
Sicherstellung einer annidhernd vollkommenen Sättigung für
24 Stunden im Wasserbad. Mit KenntnisdesTrockengewichts
m„ des Gewichts der wassergesättigten Probe m
, und dem
Gewicht unter Auftrieb m„ ergibt sich über die Beziehung
die effektive Porosität. Zusätzlich erhält man mit der Wasseraufnahme unter Vakuum WAVeine weitere Kenngröße, die
SCHWARZ (1972) Säitigungsfeuchtigkeitsgehalt QS nennt.
WAv errechnet sich aus Beziehung:
Der Anteil der Poren, die so groß sind, daß die Kapillarkrafie
nicht mehr in der Lage sind, das Wasser zu halten (nach
SNETHLAGE 1984: 39 findet der Ubergang zur Sickerströmung statt, sobald Kapillarkrafi < Schwerkraft, das entspricht
Porengrößenab ca. 1 mm), kann bei dieser Methode nicht berücksichtigt werden, da dann mw nicht verläßlich zu bestimmen ist. Im bruchfrischen Zustand waren derartige Hohlräume
bei den untersuchten Sandsteinen allerdings nicht zu beobachten, so daß eine Verfälschung der Meßergebnisse nicht zu
erwarten war.
Pro Sandsteinart wurde mit dieser Methode eine Vielzahl
von bruchfrischen Proben (L: 17, P: 37, S: 24, H: 50, V 1: 36,
V II: 54) unterschiedlicher Dimensionierung (hauptsächlich
Zylinder mit 0 35 mm und 65 mm Länge bzw. Prismen mit den
Abmessungen 35 mm * 35 mm * 140 mm) untersucht.
Den kleinsten Porenanteil mit einer Porosität < 5 Vol.%
zeigt die Lindlarer Grauwacke. Der Lossburger Sandstein und
die zwei Varietäten des Velpker Sandsteins weisen ein Porenvolumen von Ca. 15 Vol.% auf, wobei der festere Velpker I
Sandstein überraschenderweise etwas poröser als der Velpker I1 Sandstein ist. Der Seedorfer und der Heilbronner Sandstein erreichen einen Porenanteil von annähernd 20 Vol.%.
Da das untersuchte Probematerial aus einem engen Bereich des ieweiliqen Steinbruchs stammt, halten sich die Abweichungen dergemessenen Porositäten in engen Grenzen.
Als Maß hierzu dienen die Standardabweichungen der Mittelwerte. Ledialich der Heilbronner Sandstein hat, "ermutlich bedingt durch'eine heterogene Verteilung des tonigen Bindemittels, ein erweitertes Porositätsspektrum.
lhre Bestimmung erfolgte mittels zweier Methoden:
mit dem Auftriebsverfahren an unter Vakuum gesättigten
Gesteinsproben;
- mit der Quecksilberdruckporosimetrie.
Das zweite Verfahren beruht auf dem Einpressen von Quecksilber in den Porenraum des Gesteins, wobei mit zunehmendem Druck immer kleinere Hohlräume mit dem flüssigen Metall
gefüllt werden. Das kumulative Volumen des eingepreßten
Quecksilbers bezogen auf das Gesamivolumen ergibt die
effektive Porosität. Da diese Prozedur meßtechnisch und
finanziell sehr aufwendig ist, gelangte sie nur an fünf Proben
zur Anwendung.
Es fällt auf, daß die mit der Quecksilberdruckporosimetrie
durchgeführten Porositätsmessungen stets geringere Werte
annehmen als die mit dem Auftriebsverfahren bestimmten.
Nach FITZNER (1988a: 30) beruht dies zum einen auf den
unterschiedlichen Probengrößen und -mengen und zum anderen auf der Tatsache, daß das Medium Wasser einen
größerenTeil des Porenvolumenserreicht alsdas Quecksilber
bei einem Druck von 2000 bar. Seiner Meinung nach sind die
mit dem Auftriebsverfahren ermittelten Porositätswertedie zuverlässigeren.
Beim ersten Verfahren (Beschreibung bei GRÖNEMEYER &
BERNHARD 1955) wurde die bei 105 "C getrocknete Probe
zuerst im Exsikkator unter Vakuum (30 mbar Restdruck) mit
Zur Bestimmung der Wasseraufnahme unter Normaldruck
WAawurdendie Proben50Tage lang im entionisierten Wasser
gelagert. lhre Wägung erfolgte in zunächst kürzeren, dann
-
Vp = Porenvolumen V, = Feststoffvolumen V, = Gesamtvolumen
-
Munchner Geowiss Abh (B) 9
Tab. 4: Kennwerte zur Porosität und zur Wasseraufnahme
WAvV
[Gew.%]
n
[Val.%]
Gestein / Kennwert
Lindlarer Grauwacke
Lossburger Sandstein
Seedorier Sandstein
Heilbronner Sandstein
Velpker I Sandstein
Velpker II Sandstein
Auitriebsverfahren
1,72 0,lI
6,15a 0,07
8,81+ 0,14
8.70 i 0,72
6,47+ 0,24
5,75+ 0,lO
444 + 0,27
14,08i 0,14
19,08L 0,26
18,83I1,24
14,59 +_ 0,47
13,22t 0,21
,
n
[Voi.%]
Quecksilberporosimetrie
DIN 52103
3,6
11,6
16.7
13,7
123
-
1) Mittelwert und Standardabweichungaus einer Vielzahl von Proben (siehe S.19) unterschiedlicherDimensionierung bestimmt.
2) Mittelwert und Standardabweichungaus jeweils fünf zylindrischen Proben mit @ 35 mm und 65 mm Lange bestimmt
immer länger werdenden Zeitabschnitten und lieferte das
Gewicht der feuchten Probe mwazum zugehörigen Zeitpunkt t.
Der in Tab. 4 angeführte Kennwert WAawurde an jeweils fünf
Proben gemäß DIN 52103 über
ermittelt. Nach dieser Vorschrift gilt er dann als erreicht, wenn
sich das Gewicht der jeweiligen Probe innerhalb von 24
Stunden um nicht mehrals0.1 Gew.%ändert. Dieswar beiden
ausgewählten Sandsteinen nach zwei bis acht Tagen der Fall.
Mit Kenntnis der Wasseraufnahme WAv Iäßt sich nach
DIN 52103 der Sättigungswert S wie folgt errechnen:
Da die Große WAain DIN 52103 ziemlich willkürlich festgelegt
erscheint, ist es sinnvoll, den zeitlichen Verlauf der Porenfüllung während der Unterwasserlagerung in einem Diagramm
aufzuzeigen (Abb. 6). Zur besseren Darstellung ist für die
Zeitachse ein logarithmischer Maßstab gewählt, der zur Zeit t
zugehörige Sättigungswert S wird nach Formel (5) berechnet.
Eine derartige graphische Darstellung der freiwilligen Wasseraufnahme ergibt nach FITZNER 1988a: 199) für jede Gesteinsvarietät eine charakteristischeKurvenform, die in enger
Abhängigkeit zur Porenradienverteilung steht.
Zur Ergänzungist inTab. 5die Wasseraufnahmein Prozent
(jeweils bezogen auf die Sättigungsfeuchte WAVdes jeweiligen Gesteins) für bestimmte Zeitintervalle, die in Anlehnung
an FITZNER (1988a) gewählt wurden, aufgelistet. Die Geschwindigkeit der Porenfüllung in Prozent pro Minute (ebenfalls bezogen auf WAv) gibt Tab. 6 wieder.
Nach FITZNER(1988a: 199) wird die extrem schnelle Wasseraufnahme zu Beginn des Eintauchens, wie sie die beiden
Varietäten des Velpker Sandsteins und der Seedorfer Sandstein zeigen, durch einen hohen Anteil an Poren > 5 pm begünstigt.
Umgekehrt wird das Ausmal3 der erreichbaren Sättigung,
z.B. nach 50 Tagen, wesentlich vom Anteil der kleinen Poren
beeinflußt. So weisen die feinporigen Sandsteine aus Heilbronn, Lindlar, Seedorf und Lossburg S-Werte zwischen 0,80
und 0,90 auf, während die grobporigen Vertreter aus Velpke
nur einen S-Wert von 0,70 haben.
In Tab. 6 wird deutlich, daß es nach zehntägiger Wasserlagerung, unabhängig von den Porengrößeneigenschaften,
zu einer Annäherung der relativen Porenfüllgeschwindigkeit
aller Sandsteine kommt.
Bei genügend langer Unterwasserlagerung ist von einer
vollständigen Porenfüllung bei allen Sandsteinen auszugehen, zumindest Iäßt dies der 800-tägige Langzeitversuch von
FITZNER (1970) erwarten.
3.2.2. Kapillare Wasseraufnahme
X
VI
0
P
o
H
di
L
*
Lindlorer Grouwatke / L I
Hetlbronner Sst (H1
S e e d o r f e r Sst ( S I
V e l p k e r - 1 1 Sst l V I I l
V e l o k e r - I Sst ( V l l
Lossburger S s t I P I
Trifft Regen auf eine Natursteinfassade bzw. steht das Fundament eines Gebäudes in Kontakt mit Grundwasser, dann wird
Wasser in den porösen Naturstein eingesaugt. Diese Saugfähigkeit poröser Stoffe wird als Kapillarität bezeichnet. Bei
KLOPFER (1985), KRAUS (1985), SCHWARZ (1972) und
SNETHLAGE (1984) findet man umfassende Erläuterungen
zu den physikalischen Gesetzmäßigkeiten der kapillaren
Wasseraufnahme.
Abb. 7 zeigt schematisch den Verlauf des Saugvorganges
eines porösen Baustoffes.
Abb. 6: Pofenraumfüllungder untersuchten Sandsteine bei Unterwasserlagerung unter NormaldruckinAbhängigkeitvonderzeit
In der Anfangsphase der kapillaren Wasseraufnahme (t 5 tJ
gilt, unter der Voraussetzung, daß an der Saugfläche ein
ständiger Wasserüberschuß vorhanden ist, für die flächenbezogene Wasseraufnahme die Beziehung:
Tab. 5: Vergleich der zeitabhängigen Porenraumsättigung
Gestein / Zeitintervall
Lindlarer Grauwacke
Lossburger Sandstein
Seedorfer Sandstein
Heilbronner Sandstein
Velpker l Sandstein
Velpker II Sandstein
0-7,5m
["/.I*
7,5m-lh
W1
1-8h
[%I
8h-2d
P/.]
2-Iod
W1
13,6
21,6
37,5
20,O
31,6
45,l
14,2
24,9
23,6
26,4
12,O
2,o
33,3
19,6
23
5,4
3,O
3,4
4,9
2,4
67
10,l
8,O
12,l
11,Ci
13,8
03
23,8
0,7
0,6
10-20d
P/.]
l,5
42
2,6
3,4
4,7
23
20-50d
I./"[
23
4,7
3,8
49
66
46
S„
[
I
0,87
0,79
084
0,89
0,71
0'71
* Prozentzahlen beziehen sich auf den jeweiligen Sättigungsfeuchtegehalt der einzelnen Sandsteinarten
Tab. 6: Vergleich der relativen Wasseraufnahmeraten bei freiwilliger Wasseraufnahme
Gestein / Zeitintewall
Lindlarer Grauwacke
Lossburger Sandstein
Seedorier Sandstein
Heilbronner Sandstein
Velpker I Sandstein
Velpker II Sandstein
0 - 7,5117
[./,Imin]
8h - 2d
[Wmin]
1,81
2,88
5,OO
2,66
4,21
6,Ol
0,0082
0,0012
0,0023
0,0013
0,0014
0,0020
nach KRAUS (1985: 50) allerdings, daß zu jedem Zeitpunkt
t a $der Wassergehalt des Gesteins gleich der Wasserkapazität WAk ist.
Die Wasserkapazität WA" die oft auch als Feuchtigkeitskapazität @, bezeichnet wird, hat die Benennung m3„,/
in3„„„ und kennzeichnet das Ausmaß der Wasseraufnahme,
die durch kapillarenWassertransport möglich ist. Bezieht man
diese Größe auf das maximal vorhandene Porenvolumen,
dann erhält man einen Wert für den Grad der Porenfüllung,den
NIESEL & SCHIMMELWITZ (1982) als Imprägnierungsgrad
S, benennen. Diese Größe ist gleichbedeutend mit dem "Sättigungs-Coeffizienten Snbei HIRSCHWALD (1908).
6
ls0f51
Abb. 7: Schematischer Verlauf der kapillarenWasseraufnahme
m, = pro Flächeneinheit aufgenommene Wassermenge
Q
[s/cm21
t = Dauer des Saugvorganges [s]
Die Konstante A heißt Wasseraufnahmekoeffizient (identisch
mit dem W-Wert in DIN 52617) und ist nach VOS (1978) einer
der wesentlichen Parameter, die über die im Porenraum
ablaufenden Transportvorgänge Aufschluß geben.
Für die kapillare Steighöhe h, gilt für die Phase t I t, ein
ähnlicher Zusammenhang:
All diese Werte wurden an den ausgewählten Sandsteinen
mittels eines Saugversuches,wie er in DIN 52617 beschrieben
ist, ermittelt. Als Proben dienten je drei Zylinder mit 0 45 mm
und einer Höhe von 50 bis 70 mm, bei denen das Porenvolumen und die Sättigungsfeuchte WAv in einem Vorversuch
gemessen worden waren. Die Saugrichtung war bis auf eine
Ausnahme (Velpker I Sandstein) senkrecht zur Schichtung
angelegt.
Der WasseraufnahmekoeffizientA wurde mittels Wägung in
definierten Zeitabständen, der Wassereindringkoeffizient B
bei gleichzeitiger Abmessung der Steighöhe der Feuchtefront
bestimmt. Die Wasserkapazität WAk erhält man durch Gewichtsbestimmung der Probe zum Zeitpunktdes Beginns ihrer
vollkommenen Durchfeuchtung. Aus
WAk
(9) S, =
(7) h, = B * t'"
Bei der Größe B handelt es sich ebenfalls um eine Konstante,
den sog. Wassereindringkoeffizienten. Sie beschreibt die
Wanderungsgeschwindigkeit einer Wasserfront in einem porösen Material.
Die Werte A und B sind über die Beziehung
8„,
= Dichte des Wassers [g/cm3]
miteinander verknüpft. Voraussetzung für deren Gültigkeit ist
Münchner Geowiss Abh (B) 9
WA"
ergibt sich der Imprägnierungsgrad S, bzw. der Sättigungskoeffizient S im Sinne von HIRSCHWALD (1908).
Neben der experimentellen Bestimmung von WAk wurde
dieser Wert, da der "Knickpunktnbeim kapillarenSaugversuch
(siehe Abb. 7) nicht immer genau zu ermitteln ist, auch mit Hilfe
der Formel (8) berechnet. Er ist in Tab. 7 mitangegeben.
Zum besseren Vergleich der einzelnen Sandsteine wurden in
Abb. 8 die experimentell an verschieden hohen Proben gewonnenen Meßergebnisse auf eine einheitliche Probenhöhe
von 50 mm umgerechnet. Vergleichbare neuere Daten zur
Tab. 7: Kenndaten zur kapillaren Wasseraufnahme
Gestein / Kennweri
Lindlarer Grauwacke
Lossburger Sandstein
Seedorfer Sandstein
Heilbronner Sandstein
Velpker l Sandstein
Velpker II Sandstein
0,15t 0,01
0,71+ 0,04
1,89i 0,05
2,15+ 0,15
1,39I
0,22
2,21 + 0,lO
0,030
0,137r 0,006
0,223+ 0,006
0,273r 0,007
0,295i 0,060
0,683r 0,039
0,082i 0,002
0,123r 0,003
0,147t 0,005
0,067+ 0,002
0,056i 0,002
0,087I 0,007
0,1421: 0,003
0,132I 0,013
0,079I: 0,004
0,054I0,002
0,59r 0,Ol
0,65t 0,OO
0,70r 0.01
0,45I0.01
0,42r 0,023
Ex~enmentellan der vollkommen durchfeuchteten Probe bestimmt. 2l Rechnerisch mit Hilfe von Formel (8) ermittelt
~ittelweriund Standardabweichungaus je drei Proben bestimmt
l)
m, ~ k ~ / m ~ l
nach derfür Natursteinbislangallgemein akzeptierten Vorstellung, Steine mit einem höheren Porenfüllungsgrad als 90 O/o
beim Gefrieren durch die ca. lO%ige Ausdehnung des Wassers eine Schädigung erleiden. Der höchste Sättigungsgrad,
der alleine durch kapillares Saugen erzielt werden konnte,
findetsich innerhalb der sechsausgewähltenSandsteine beim
Heilbronner Sandstein mit S,= 0,70. Alle anderen Werte liegen
deutlich darunter. Bei SCHUH (1987) und KRAUS (1985)
sowie in zusätzlich angestellten eigenen Messungen an
weiteren bruchfrischen Sandsteinen (Tab. 8) bewegen sich die
S,-Werte in der Regel zwischen 0,40 und 0,85, also unterhalb
des der Theorie nach kritischenWertes von 0,90. Gegenüber
den nach DIN 52103 bestimmten S-Werten sind die S,-Werte
um Ca. 10 bis 20 % niedriger, wobei sich die Rangfolge
innerhalb der Sandsteinarten allerdings nicht verändert hat.
Tab. 8: Ergänzende Werte zum Imprägnierungsgrad S, von
Sandsteinen
Buntsandsteine
S,
Wüstenzeller Sst.
Ebenheider Sst.
Schopper Sst.
0,59
0,84
0,62
Rhätsandsteine
S,
Kreidesandsteine
0,56
0,72
Baumbacher "Sst."
Rüthener Sst.
Bucher Sst.
Obernkirchener Sst.
Abb. 8:
steine
Kapillare Wasseraufnahme der untersuchten Sand-
kapillaren Wasseraufnahme von bruchfrischen Sandsteinen
liegen bei KRAUS (1985), SCHUH (1987) und SNETHLAGE
(1984) vor. Deren Spektrum für den A-Wert reicht von 0.4 bis
11,4 kgl(m2*hin). Legt man die Eingruppierung von KRAUS
(1985: 53) zugrunde, dann sind die beiden Varietäten des
Velpker Sandsteins, der Seedorfer und Heilbronner Sandstein
als mittelgut bis gut saugende, der Lossburger Sandstein und
die Lindlarer Grauwacke als schlecht saugende Gesteine einzustufen. Letztere ist von ihrem Saugverhalten her mit dichten
Kalksteinen, z.B. dem Kelheimer Kalkstein mit nach SNETHLAGE (1984: 40) A = 0,2 kg/(mZ*hiR), ZU vergleichen.
Bei der Reihung der Wassereindringkoeffizienten B ergibt sich
die Rangfolge V II > V I > H > S > P > L. Auch hier leisten der
Lossburger Sandstein und die Lindlarer Grauwackedem Eindringen des Wassers den größten Widerstand. Nach KRAUS
(1985: 59) ist B eine Funktion aus Kapillarzug und Permeabilität des betreffenden Porensystems.
Von größerer Bedeutung als der Wassereindringkoeffizient B
ist für die Frostverwitterung der Imprägnierungsgrad St, da,
Schilfsandsteine
st
Abtsweiler Sst.
Maulbronner Sst. (gelb)
Sander Sst.
Schleeriether Sst.
0,59
0,70
0,70
0,72
st
0,84
Die Meßergebnisse in Tab. 7 bestätigendie Beobachtungvon
SCHUH(1987), daßdas Wasser bei grobporigen Sandsteinen
schneller und tiefer eindringt als bei feinporigen und daß dabei
der Porenfüllgrad ausgedrückt als Imprägnierungsgrad S,
geringer als bei den feinporigen ist.
3.23. Hygroskopische Wasseraufnahme
Unter hygroskopischer Wasseraufnahme versteht man die
Eigenschaft poröser Stoffe, Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen (= Sorption) bzw. abgeben (= Desorption) zu konnen.
Nach SCHUH (1987: 21) spiegelt diese Art der gasförmigen
Wasseraufnahme die innere Oberfläche der Sandsteine
wider, wobei einegroße AbhängigkeitvomAnteil derTonminerale besteht. Die innere Oberfläche ist bei der Salzverwitterunq
von Interesse, da sie die maximal mögliche ~eaktionsobe;
fläche für das System Salz-Lösung-Gestein vorgibt.
Bei der Aufnahme von Wasserdampf aus der Luft überlagern sich nach KRAUS (1985: 68) zwei Phänomene:
Zum einen adsorbieren alle Minerale eines Gesteins aus
Grunden einer verringerten Oberflächenenergie Wasser
auf ihren Oberflächen.
Zum zweiten kommt es in genügend kleinen Poren KLOPFER (1985: 337) gibt hierzu Porendurchmesservon
< 0,i Fm an - zur Erscheinung der Kapillarkondensation.
Diese Poren sind, infolge der Erniedrigung des Dampf-
GünTher WEISS
Abb. 9: Feuchteaufnahmeund -abgabe in Abhängigkeit von der umgebenden Lufifeuchte
druckes durch die spezifische Oberfliichenkraft, mit Wasser gefüllt, obwohl die äußeren Bedingungen keine Kondensation im Makrobereich zulassen würden.
Zur experimentellen Bestimmungder Sorptions-IDesorptionseigenschaften lagert man dievollständigtrockenen Sandsteinproben (im vorliegenden Fall Scheiben mit 0 45 mm und
10 mm Dicke) in luftdichtenGefäßen mit definierten Feuchtegehalten bis zur Einstellungdes jeweiligen Feuchtegleichgewichts und bestimmt dann ihren Wasserqehalt. Für die Ermittlung der Sorptionsisotherme erhöht man, für die Desorptionsisotherme reduziert man stufenweise die relative Luftfeuchte.
Die Einhaltung der entsprechenden Luftfeuchten wird mittels
übersättiater Salzlösunaen (die verwendeten Salze sind in
Tab. 9 zusammengeste6) bewerkstelligt. DieTemperaturwird
während der mehrmonatiaen
Versuchsdauer in etwa konstant
"
gehalten (+ 20°C).
Tab. 9: Verwendete Salzlösungen zur Einstellung definierter
relativer Luftfeuchten
Salz
rh [%I
Salz
rh [X]
35
45
52
KCI
87
MgCI, * 6H,O
%CO, * 2H20
Na,Cr20,* 2H,O
NaNO,
Münchner Geowiss Abh (B)9
66
qSo4
H,0
95
100
Der Zusammenhang zwischen der herrschenden relativen
Luftfeuchte rh und der Wasseraufnahme bzw. -abgabe durch
das Gestein ist für vier Gesteine in den Sorptions-IDesorptionskuiven in Abb. 9 dargestellt.
Alle untersuchten Sandsteine zeigten ein hygroskopisches
Verhalten. Für die maximale Wassersättigung allein durch
gasförmige Wasseraufnahme bei 100%iger relativer Luftfeuchte (= WAioO) wurde der Sättigungswert bezogen auf die
mittlere Sättigungsfeuchte des jeweiligen Gesteins (siehe
Tab. 4) errechnet. Bei der Lindlarer Grauwacke scheinen
alleine die Phänomeneder Adsorption und Kapillarkondensation auszureichen, um mit einem S-Wert von 0,84 einen
ahnlichen Porenfüllungsgrad wie bei 20-tägiger Unterwasserlagerung zu erzielen. Im Gegensatz hierzu steht der Velpker I
Sandstein, der durch dampfförmige Wasseraufnahme lediglich eine durchschnittlichen Sättigungswert von 0,08 erreicht.
Alle Sandsteine wiesen ab einer relativen Luftfeuchte von
75 % einen steilen Anstieg in ihrem Feuchtigkeitsgehalt auf,
der nach SNETHLAGE (1984: 36 f.) weniger auf das Wirken
der Kapillarkondensation, sondern auf das Anlagern weiterer
H,O-Schichten am bereits bestehendem Wasserfilm zurückzuführen ist. Nach BADMANN (1981: 33) findet Kapillarkondensation im Bereich der Hysterese zwischen der Sorptionsund der Desorptionsisotherme statt. Von KLOPFER (1985:
289) wird allerdings bezweifelt, ob es sich bei diesem Phänomen um einen echten Hystereseeffeki handelt oder ob nicht
vielmehr ein bislang noch unberücksichtigter systematischer
Fehler in der Versuchsdurchführung vorliegt. In den eigenen
Messungen ist ein Hystereseeffekt zu beobachten, der sich
über den aesamten
Feuchtebereicherstreckt: er ist damit wohl
,.
eher in einer zu kurzen Lagerungsdauerbeim Desorptionsversuch als im Auswirken der Kapillarkondensation begründet.
Aus den Sorptionsisothermen läßt sich die spezifische innere
Oberfläche A, angenähert berechnen. Grundlage hierfür ist die
BET-Theorie (Einzelheiten bei BADMANN 1987: 15 ff.), die
einen formelmäßigen Zusammenhang zwischen der herrschenden Luilfeuchte, der Adsorbatmenge und den Adsorptionseigenschaften des vorliegenden porösen Stoffes herstellt. In ihrer linearisierten Form lautet die BET-Gleichung:
Hierin bedeuten:
V = Adsorbatmenge [glg]
V=
,
Adsorbatmenge zum Aufbau einer monomolekularen H20-Lage [glg]
C = Energieparameter [ I
X = relative Luftfeuchte [ I
Da V und X bekanntsind, lassen sich die unbekannten Größen
V, und C mit der obigen Formel und über die für Luftfeuchten'
bis ca. 50 % sich ergebenden Geraden ermitteln.
Die spezifische innere Oberfläche A, ergibt sich aus:
mit:
A, = Große einer monomolekularen H,O-Schicht [m2/g];
beträgt nach SNETHLAGE (1984: 36) 3580 m2/g
Nach SCHUH(1987: 23) entspricht der errechnete Zahlenwert
nur tendenziös der tatsächlichen inneren Oberfläche, da die
Effekte der Kapillarkondensation in die Berechnung miteinbezogen wurden.
Eine weitere Möglichkeit, die spezifische innere Oberfläche
eines porösen Stoffes zu bestimmen, bietet das Stickstoffadsorptionsverfahren. Hierbei wird bei tiefen Temperaturen
(- 196°C) eine monomolekulare N,-Schicht auf der inneren
Oberflächeder porösen Substanz erzeugt und nach der BETTheorie ausgewertet. Eine genauere Beschreibung hierzu
findet sich bei CLEMENS, GRIMM & POSCHLOD (1990: 82).
Von K. Clemens wurde im Rahmen seiner Diplomarbeit innerhalb des BMFT-ForschungsprojektesBAU 5015 E ein Teil der
hier vorgestellten Sandsteine im Forschungslabor der BEB
Erdölgesellschaft in Hannover diesem Meßverfahren unterzogen. Die vorliegenden Daten sind in Tab. 10 aufgelistet.
Schließlich kann auch mit der QuecksilberdruckporosimeTab. 10: Vergleich der spezifischen inneren Oberflächen bei unterschiedlichen Meßverfahren
Gestein
Lindlarer Grauwacke
Lossburger Sandstein
Seedorfer Sandstein
Heilbronner Sandstein
Velpker I Sandstein
Velpker II Sandstein
')
2,
9
5.3
4.0
3,7
18,O
1,6
3.9
7,4
0,8
1,3
1,3
0,g
12
02
-
Aus der Sorptionsisotherme mit der lineansierten BET-Gleichung
berechnet
Werte in GRIMM (1990)
Aus der Porenradienverteilung(Hg-Porosimetrie) berechnet
trie, aus der ermittelten Porenradienverteilung unter der Annahme eines Zylinderporenmodells, die spezifische innere
Oberfläche berechnet werden (Tab. 10).
Vergleicht man die Meßwerte aus den drei Möglichkeiten der
Bestimmung der spezifischen inneren Oberfläche miteinander, ergibt sich größenmäßig folgende Rangfolge:
Die kleinere spezifische innere Oberfläche aus der Quecksilberdruckporosimetrie erklärt sich nach FITZNER (1988: 30)
aus der Nichtzugänglichkeit sehr kleiner Poren für Quecksilber. Für das Phänomen Ai„„ >.A,,„„, das auch bei Messungen an Zementstein auftritt, existiert bislang (nach KRAUS
1985: 74) keine schlüssige physikalische Erklärung. Dem
Gasadsorptionsverfahren mit Stickstoff wird i.allg. das großte
Vertrauen bei der Ermittlungder spezifischen inneren Oberfläche entgegengebracht.
3.2.4. Dampfförmiger Wassertransport
Je schneller und gründlicher ein Natursteinaustrocknet, umso
geringer wird die Wahrscheinlichkeit, daß er einen Frostschaden erleidet. Ebenso spielt das Trocknungsverhalten eines
Natunverksteines eine wichtige Rolle bei der Auskristallisation
von Salzen im seinem Porenraum und den damit verbundenen
Möglichkeiten der Gefügeschädigung. Das Austrocknungsverhalten wird maßgeblich von der Gasdurchlässigkeit, d.h.
einmal von der Permeabilität und einmal von der Wasserdampfleitiähigkeitbeeinflußt.
Die Theorie zur Trocknung von porösen Baustoffen ist bei
KLOPFER (1985), KRAUS (1985), SNETHLAGE (1984),
SNETHLAGE, HOFFMANN & KNÖFEL (1986) und VOS
(1978) beschrieben; sie soll hier nur kurz erläutert werden.
Abb. 10zeigt den zeitlichenAblauf des Trocknungsvorganges
in einem Schemabild.
Es lassen sich zwei unterschiedliche zeitliche Phasen bei der
Trocknung feststellen:
t < G,: In dieser Phase verläuft der AuStrocknungsvorgang
linear, d.h. die Trocknungsgeschwindigkeit bleibt
konstant; sie wird nur von äußeren Faktoren (Temperatur, Luftfeuchte, Wasserdampfleitfähigkeit der
BaustoffoberTläche) bestimmt. Der Wassertransport erfolgt kapillar nach außen.
t 2 t„:
Nach Erreichen der "Kritischen Feuchte" (SNETHLAGE 1984: 41) WAc zieht sich das Wasser in den
Baustoff zurück. Der kapillareTransport wird immer
mehr vom Transportmechanismus der Wasserdampfdiffusion verdrängt und schließlich - mit abnehmendem Feuchtegehalt - ganz abgelöst. In
dieser zweiten Phase ist die Austrocknungsgeschwindigkeit im wesentlichen nur von der Wasserdampfleitfähigkeit (eine damit verknüpfte Größe ist
die WasserdampfdiffusionswiderstandszahlP) abhängig. Sie nimmt, da die Diffusionswege immer
länger werden, kontinuierlich ab und sinkt, bei Erreichen der Gleichgewichtsfeuchte WAgl zwischen
Baustoff und umgebender Luft, auf den Wert Null.
-
-
Das Verhalten der wassergesättigten (unter Vakuum bei
30 mbar Restdruck) Sandsteine bei Trocknung wurde in einem Verdunstungsversuch im Labor (bei + 20 "C und I30 %
relativer Luftfeuchte) beobachtet. Als Proben dienten Zylinder
mit 0 45 mm und einer Längevon 50 bis 70 mm, deren Mantelund Grundfläche, zur Erzeugung eines eindimensional zur
Oberfläche gerichteten Feuchtestroms, abgedichtet waren. In
zunächst halb-, dann ein- bis mehrstündigen Abständen wurden die Proben gewogen. Nach 48 Stunden kam es zu einer
Wassergehal t
4
-
WA"
Säftigun gsfeuchte
W A ~Kritische Feuchte
W A ~ ' GI e i c h g e w i c h f s f e u c h t e
-
wAq1--
--
_
_
I
I
,
-
---
i
I
Zeit t
kn
Abb. 10: Schemabild zum Verlauf der Trocknung eines porösen Baustoffes
W a s s e r g e h a i f [Gew % I
I I
-
Heilbronner Sandstein
Seedorfer Sandstein
V e i p k e r - I Sands f e i n
-w-+ Velpker -11 Sands t e i n
--A-MW
Lossburger Sands t e i n
L i n d l a r e r Grauwacke
-o+c--
-
T=20-22°C
Abb. 11: Trocknungsverlauf vollgesättigter Sandsteine bei einseitig gerichtetem Feuchtestrom
Münchner Geowiss. Abh. (B) 9
9=?30%
Beendigung des Versuches, ohne die Einstellungder Gleichgewichtsfeuchte, was sehr lange dauern kann, abzuwarten.
Das Ergebnis ist in Abb. 11 dargestellt.
Fünf der sechs ausgewählten Sandsteine verhielten sich
theoriegemäß. Nachdem sich die Feuchtein den Stein zurückgezogen hatte, ging die Trocknungskurve ab der Zeit ["
von
einem linearen in einen exponentiell abfallendenVerlauf über,
ehe sie sich der Gleichgewichtsfeuchte asymptotisch näherte.
Lediglich bei der Lindlarer Grauwacke zieht sich das Wasser
fast augenblicklich in das Gesteinsinnere zurück, die Festlegung des Knickpunkts in Abb. 11 hat daher eher hypothetischen Charakter.
Zum qualitativen Vergleich der einzelnen Sandsteine bezüalich des Ausmasses des Kaaillartransaortes innerhalb des
v&dunstungsvorganges, wurde die ~ k ß S"
e = WAcNVAv
berechnet. Es bleibt anzumerken. daßessich hierbei um keine
Materialkonstante handelt, da sie u.a. von der Probendimensionierung, aber auch, wie die Versuchsreihen von SNETHLAGE (1984: 43) beweisen, von äußeren Bedingungen, wie
z.B. den Windverhältnissen, abhängt. Es ergaben sich folgende Werte:
SC
Lindlarer Grauwacke:
036
Lossburger Sandstein:
0,68
Seedorfer Sandstein:
0,60
Heilbronner Sandstein:
0,63
Velpker I Sandstein:
" 0,49
Velpker II Sandstein:
0,60
Es zeigt sich der Trend, daß die grobporigen Sandsteine
(Seedorfer, Velpker I, Velpker II) infolge eines höheren Kapillartransportesan der Oberflächeschnelleraustrocknen alsdie
feinporigen (Heilbronner, Lossburger, Lindlarer). Dies entspricht auch der Beobachtung bezüglich der Wasserleitfähigkeit, die beim umgekehrten Vorgang, nämlich der kapillaren
Wasseraufnahme, gemacht wurde (S. 21 f.).
schicht gleicher Dicke. Die Größe p ist nach SNETHLAGE
(1984: 44) abhängig von der Temperatur und vom Feuchtigkeitsbereich.
Üblicherweise wird p einmal im Feuchtebereich 0 - 50 % rh
(pOdO,
drycup-Verfahren) und einmal im Feuchtebereich 50 100 % rh (V„„,
wetcup-Verfahren) bestimmt. Die beiden
daraus ermitteltenWasserdampfdiffusionswiderstandszahlen
unterscheiden sich dahingehend, daß p„ z p50.1W.
KLOPFER
(1985: 372 f.) erklärt dies, bei steigender Feuchte, mit der
Ausbildung von Wasserinseln an Engpässen enger Poren
(z.6. infolge von Kapillarkondensation), in denen das Wasser
kapillar festgehalten wird. An derartigen Stellen, die der
Dampfdiffusion in niederen Feuchtebereichen den größten
Widerstand entgegenzusetzen vermögen, können nun die
H,O-Moleküle über die Wasserinseln fast widerstandslos
passieren.
Die praktische Durchführungder Bestimmungder Wasserdampfdiffusionswiderstandszahlp geschah in Anlehnung an
DIN 52615: Gesteinsscheiben mit 0 45 mm und einer Dicke
von ca. 10 mm wurden auf eigensangefertigteGlasgefäße,die
einmal Silicagel (drycup-Verfahren) und einmal destilliertes
Wasser (wetcup-Verfahren) enthielten, aufgesetzt, mit Paraffin rundherum abgedichtet und in einem Exsikkator, in dem
eine Luftfeuchte von 45 % und eine Temperatur von 20°C
aufrechterhalten wurden, gelagert. In mehr oder weniger konstanten Zeitabständen eriolgte die Wägung. Aus der Gewichtszu- bzw. -abnahme pro Zeiteinheit Iäßt sich, nach Erreichen des stationären Gleichaewichtszustandes. der Wasserdampfdiffusionsstrom I aus der Steigung der Regressionsgeraden berechnen. Die Wasserdamafdiffusionswiderstandszahl p erhält man nach DIN 52615 über:
Mit:
Für das Austrocknungs-, aber auch für das Wasseraufnahmeverhalten, spielt die Permeabilität eine wichtige Rolle. Nach
CLEMENS, GRIMM & POSCHLOD (1989: 83) kann die Permeabilität bei Naturwerksteinen als "Durchlässigkeit des porösen Gesteins gegenüber Flüssigkeiten und Gasen unterschiedlicher Viskosität unter den Einwirkungen der Schwerkraft undzusatzlicher Kräfte (Druckdifferenzen) im Gültigkeitsbereich des Gesetzes von Darcy" definiert werden. Sie ist
damit eine Kenngröße für das durchströmbare Porenvolumen
und für die Kommunikation im Porensvstem. Ihre ahvsikalische Einheit ist das "Darcy" (d) bzw. " ~ i l l i d a r c (md)..
~"
Die Luftaermeabilität einer Vielzahl deutscher Naturwerksteine wurde von K. Clemens im Rahmen seiner Diolomarbeit
gemessen und in GRIMM (1990) veröffentlicht. ~ i e ' i Tab.
n
11
vorgestellten Werte sind daraus entnommen.
Tab. 11: Permeabilität der untersuchten Sandsteine
Gestein
Permeabilität
W1
Lindlarer Grauwacke
Lossburger Sandstein
Seedorfer Sandstein
Heilbronner Sandstein
Velpker I Sandstein
0,01
0,27
9.73
0,77
39,lO
Der zweite Abschnitt der Trocknungskuwe ist, wie bereits
oben erwähnt, fast ausschließlicheine Funktion der Wasserdampfdiffusionsleitfähigkeit des Gesteins. Ein damit verbundener Wert, der im Bereichder Baupysikverbreiteterist, ist die
WasserdampfdiffusionswiderstandszahI p. Sie gibt an, um
welchen Faktor das betreffende Gesteinsgefüge gegen diffundierende Wassermoleküle dichter ist als eine ruhende Luft-
6,
A
p,, p,
I
s
s,
= Diffusionsleitfähigkeitskoeffizient von Wasserdampf in Luft [6,97 * 10.' kg/(m * h * Pa)]
= Prüffläche [m2]
= Wasserdampfpartialdrücke an der Probe [Pa]
= Wasserdampfdiffusionsstrom[kglh]
= Mittlere Dicke der Probe [m]
= Mittlere Dicke der Luftschicht im Prüfgefäß unterhalb der Probe [m]
Die Werte zur Wasserdamafdiffusionswiderstandszahl U sind
inTab. 12z~sammen~esteilt.
Wegen derz.~starkenstrbuung
derMeßwerteandem bruchfrischen Material-eine Erfahruna.
die auch EFES (1980) gemacht hat - sind alle ~inzelwe&
aufgelistet.
Die pso.ioolWerte liegen deutlich unterhalb der P„-Werte.
Am ausgepragtesten ist dieser Unterschied bei der Lindlarer
Grauwacke entwickelt. Hier scheinen sich bei zunehmender
Feuchte die meisten Wasserinseln im Sinne von KLOPFER
auszubilden, was - nach Betrachtung der Sorptionskuwe
dieses Gesteins (siehe S. 23) - zu erwarten ist.
Beim wetcup-Verfahren liegt p bei allen Sandsteinen, mit
Ausnahme der Lindlarer Grauwacke, im Bereich zwischen 20
und 25. Die Trocknungskuwendieser Gesteine, in denen der
Parameter p„„ zum Tragen kommt, ließen in ihrem zweiten
Abschnitt ebenfalls keine grundlegende Verschiedenheit erkennen und bestätigten damit das Ergebnis der Wasserdampfdiffusionsmessungen.
Vier der sechs Sandsteine liegen auch beim drycup-Verfahren mit p-Werten zwischen 35 und 40 eng beieinander,
lediglichder Lossburger Sandstein und vor allem die Lindlarer
Grauwacke nehmen höhere Werte an. Dieses Verhalten der
beiden letztgenannten Sandsteine läuft parallel dem Verhalten, das bei der kapillarenWasseraufnahme (A-Wert, B-Wert)
als auch bei der Permeabilität beobachtet wurde: Beide Ge-
Günther WElSS
Tab. 12: Zusammenstellung der gemessenen Wasserdampfdiffusionswiderstandszahlen
drycup - Verfahren
POSO
wetcup - Verfahren
Gestein
ko-100
Lindlarer Grauwacke
Lossburger Sandstein
I
Mittelwert: 46,4I
4.9
1
I
Mittelwert: 23,4I
4,7
1
I Mittelwert: 304,7
I
65,l
Mittelwert: 71,OI 5,3
36,3
35,O
Seedotfer Sandstein
Heilbronner Sandstein
Velpker l Sandstein
Velpker IISandstein
1
36,7
34,7
Mittelwert: 22.0 I
1,6
I
Mittelwert: 35,7I
1,O
I
I Mittelwert: 21.7-c 2.1 1
I
Mittelwert: 37.7+ 2.9
I
I
Mittelwert: 38.6 I 2,O
1
J
I
Mittelwert: 23.3 + 3.1
1
1
Mittelwert: 25,5+ 2,7
1
-
steine setzen dem Eindringen des Wassers sei es im flüssigen oder im dampffömigenZustand -den größtenWiderstand
entgegen.
3.2.5. Porengrößenverteilung und Porengeometrie
Neben dem Gesamtporenvolumen, das mit Hilfe des Auftriebsverfahrens relativ einfach und genau zu ermitteln ist, ist
die Größe der Einzelporen, daraus resultierend die Porengrößenverteilung undschließlichdie Form der einzelnen Hohlräume, von großer Bedeutung. Gerade die Porengrößenverteilung beeinflußt nach SCHUH (1987: 24 f.) und FITZNER
(1988a: 198ff.) fast alle Eigenschaften, die mit der Aufnahme,
der Abgabe und dem Transport von Wasser in einem Porensystem-zu tun haben. Auch für Verwitterungsvorgänge, insbesondere für die Eisbildung und Kristallisation von Salzen im
Porenraum, soll sie nach EVERETT (1961), FITZNER &
SNETHLAGE (1982), SNETHLAGE (1984, 1985) oder
SNETHLAGE, HOFFMANN & KNÖFEL (1986) eine wichtige
Rolle spielen.
Mittelwert: 35,5+ 1,O
unter Druck in das Porensystem eines Natursteins ein. Je
höher der Druck ist, umso kleinere Hohlräume können gefüllt
werden. Nach FITZNER (1988a: 16) gilt zwischen dem Kapillarradius r und dem aufgewendeten Druck p der Zusammenhang:
2 * 0 * cos6
(13) r =
P
Mit:
p =
r =
o =
6 =
Druck [Pa]
Kapillarradius [m]
Oberflächenspannung [Nlm]
Randwinkel [Grad]
Mit einer Meßapparatur, die den Druck und die Menge (Aes
intrudierenden Quecksilbers registriert, und unter der Annahme eines geeigneten Porenmodells (hier: Zylinderporenmodell) Iäßt sich die Porengrößenverieilung errechnen.
Die hier vorliegenden Messungen konnten am Institut für
Baustoffprüfung der TU München mit einem Gerät der Fa.
Zur Untersuchung von Porengrößen und -formen haben sich
zwei Methoden bewährt: Die Quecksilberdruckr>orosimetrie Carlo Erba Strumentazione durchgeführt werden. Für die
Konstanten o und 6 wurden die üblichen Annahmen (o =
und die Licht- bzw. Rasterelektronenmikroskopie.
0,48 Nlm, 6 = 141,3") getroffen. Der maximal erreichte Druck
lag bei 1995 bar.
Der Vorteil der Quecksilberdruckporosimetrie gegenüber
mikroskopischen Methoden besteht in der besseren QuantifiDamit können Poren mit einem Radius von Ca. 40 A gefüllt
zierbarkeit eines Porensystems. Allerdings können damit
werden. Bei einem Normaldruck von 1 bar werden Poren mit
Porenformen nicht erfaßt werden, was der Mikroskopie übereinem Radius von 7,5 vm vom Quecksilber eingenommen.
lassen bleiben muß.
Noch größere Poren sind, ohne Zusatzeinrichtungen am
Eine ausführliche Beschreibung der QuecksilberdruckMeßgerät, nicht mehr injedem Fall befriedigendzu differenzieporosimetriegebenNlESEL& SGHIMMELWITZ(1982: 19ff.).
ren. Davon zeugen die Lücken in Abb. 12für PorenradienklasFür Sandsteine liegen Meßdaten von GRIMM (1990) und bei
Sen 10 Pm. Sie sind meßtechnisch bedingt und nicht auf eine
FITZNER (1983, l988a, l988b) vor. Die Quecksilberdruckporosimetrie nützt die Eigenschaft des Quecksilbers, wirkliche diskrete Verteilung der Poren in diesem Größenbereich zurückzuführen.
gegenüber mineralischen Oberflächen bei der Benetzung
einen Randwinkel > 90" einzunehmen. Quecksilber dringt nur
Münchner Geowiss Abh. (B) 9
Abb. 12: Histogrammdarstellung der Porenradienverteilung der untersuchten Sandsteine
Einen Überblick über die Charakteristik der mit dem HgPorosimeter ermittelten Porenradienverteilung des jeweiligen
Sandsteins zeigt Abb. 12. Da nach CLEMENS, GRIMM &
POSCHLOD (1990: 78) keine einheitliche Nomenklatur von
Porengrößen in der Literatur vorliegt, fällt eine Klassifikation
schwer. In Tab. 13 wird in Anlehnung an KLOPFER (1985:
337) eine Unterscheidung in Mikro- und Kapillarporen, deren
Grenze bei einem Porendurchmesservon0,1 pm (=derjenige
Durchmesser, bei dem die spezifischen Oberflächenkräfte
noch einen wichtigen Einfluß ausüben, zu denen Effekte wie
z.B. Kapillarkondensation oder Gefrierpunktserniedrigung gehören) liegt, vorgenommen. Die Kapillarporen sind nochmals
unterteilt - und zwar bei einem Durchmesservon 15 pm. Diese
Porengröße ist im Lichtmikroskop noch gut zu erkennen und
stellt auch bei der Methode der Quecksilberdruckporosimetrie
einen Einschnitt dar.
Für die lichtmikroskopischen Untersuchungen wurden die getrockneten Sandsteinproben unter Vakuum mit Epoxidharz,
das mit Sudanrot gefärbt war, zunächst getränkt (ausführliche
Beschreibung des Verfahrens bei DJAMOUS, MARSCHALL
& NEISECKE 1980). Anschließend erfolgte auf dem üblichen
Wege die Herstellungvon Dünnschliffen, bei denen der Porenraum durch die Anfärbung gut von der umgebenden Gesteinsmatrix zu unterscheiden war.
Die Abb. 13 zeigt für fünf der sechs untersuchten Sandsteine
jeweils einen vergrößerten, 1,2 * 1,9 mm großen Ausschnitt
aus den betreffenden Dünnschliffen. Die Formen und die
Vernetzung der Poren, die, soweit sie im Mikroskop zu erkennenwaren, schwarzdargestelltsind, treten deutlich in Erscheinung. Man erkennt bereits in den zweidimensionalen Schnitten, wie komplexdas Porensystemeines Sandsteinsausgebildet sein kann. Das Fehlen regulärer geometrischer Formen
erschwert eine Beschreibung. Auf die Darstellung der Lind-
larer Grauwacke wurde verzichtet, da sich dieses Gestein als
so dicht erwies, daß kein Harz eindrang.
Zusammenfassend Iäßt sich die Porengeometrie der einzelnen Gesteine, unter Einbeziehung der Untersuchungen mit
dem Licht- und Rasterelektronenmikroskop, den Porositätsmessungen, den Hg-Porosimetermessungen, den Bestimmungen zur Permeabilität und zur Wasserdampfdiffusion,wie
folgt charakterisieren:
Die Lindlarer Grauwacke mit einer Gesamtporositätvon Ca.
4 3 Vol.% besteht überwiegend aus Mikroporen. Kapillarporen sind nur vereinzelt im Rasterelektronenmikroskop
sichtbar. Das mikroporöse Porensystem bedingt eine geringe Durchlässigkeit für Wasser, sowohl im flüssigen als
auch im dampfförmigen Zustand.
- Der Lossburaer Sandstein hat ein Porenvolumen von Ca.
14 Vol.%, das zu 15 %von Mikroporen und zu 85%von Kapillarporen gebildet wird. Unter den Kapillarporen dominieren die kleineren Porengrößen mit Porenradien < 7,5 pm.
Größere Kapillarporen, die Größen bis zu 200 pm Durchmesser erreichen können, sind spärlich vorhanden und
untereinander kaumverbunden, was eine geringe Permeabilität zur Folge hat.
- Der Seedorfer Sandstein besitzt eine Porosität von ca.
19 Vol.%, die nurzu 7 %aus Mikroporen, aberzu 40 %aus
Kapillarporen mit einem Durchmesser > 15 pm besteht.
Letzteresind gut miteinander verknüpft, woraus eine relativ
hohe Permeabilitätundein geringerwiderstand gegenüber
der Wasserdampfdiffusion resultieren.
- Der Heilbronner Sandstein erreicht mit ca. 19 Val.% das
Porenvolumen des Seedorfer Sandsteins, hat aber mit Ca.
15 % einen doppelt so hohen Mikroporenanteil wie dieser.
Die Kapillarporen > 15 pm haben i.allg. Größen zwischen
40 und 80 pm und sind nur untergeordnet direkt miteinan-
Günther WElSS
Velpker I Sandstein
VelpkerII Sandstein
Seedorf er Sandsfein
Lossburger Sandstein
Maßstab bei o l l e n
Bi1 dern g l e i c h
Hei I bronner Sandsf e i n
Abb. 13: Porenformen und -vernetzung der untersuchten Sandsteine im zweidimensionalen Schnitt
der verbunden. Die Permeabilität ist dementsprechend
gering.
- Bei den beiden Varietäten des Vebker Sandsteins reicht
das Porositätsspektrumvon Ca. 13 bis 15 Vol.%. Mikroporen machen nur einen geringen Anteil am Porenvolumen
aus (zwar wurde nur der Velpker I Sandstein mit dem HgPorosimeter untersucht, doch dürften die Ergebnisse
Münchner Geowiss. Abh. (B) 9
wegen der Konformitätim Wasseraufnahmeverhalten auch
auf den Velpker II Sandstein übertragbar sein). Bei beiden
dominieren die großen Kapillarporen > 15 pm, die sich zu
schlauchartigen Gebilden mit bis zu 500 pm Länge erweitern können. Die Kommunikationdieser Poren ist sehr gut
und findet über eine Vielzahl schmälerer Porenkanälestatt,
was die hohe Permeabilität dieses Gesteins erklärt.
Tab. 13: Daten zur Porengrößenverteilung
Gestein
Lindlarer Grauwacke
Lossburger Sandstein
Seedorfer Sandstein
Heilbronner Sandstein
Velpker l Sandstein
I
1
-
Porengrößenklassen relativer Anteil
Mikroporen
Kapillarporen
86,6
14,8
7,l
15,5
1 3
11,4
61,6
52,9
42,3
23,O
2,o
23,6
40,O
42,2
75,l
I
I
Porengrößenklassen- absoluter Anteil
Mikroporen
Kapillarporen
3,12
1 ,72
1.19
2,12
0,24
0,41
7,15
8,83
5,80
2,88
0,07
2,74
6,68
5,78
9,39
Die Größenangaben beziehen sich auf Porendurchmesserunter der Annahme eines Zylinderporenmodells
3.3. Festigkeits- und Verformungseigenschaften unter
mechanischer Beanspruchung
Innerhalb der Verwitterungsarten sind insbesondere die ProzessederphysikalischenVerwitterung (Eisbildung und Kristallisation von Salzen im Porenraum, thermisch und hygrisch
induzierte Spannungen) in der Lage, mechanische Kräfte auf
ein Gestein auszuüben. Daher ist es von grundlegender
Bedeutung, die gesteinsphysikalischen Parameter, die das
Ausmaß der Reaktion eines Gesteins auf äußere Kräfte steuern, zu kennen und zu ermitteln. Allgecmein durchläuft ein
Gestein bei wachsender mechanischer Beanspruchung zwei
Stadien (PESCHEL 1983):
Biszu einem gewissen PunMin der Spannungs-DehnungsKurve (gesteinsspezifisch unterschiedlich) geht die erlittene Verformung nach Beendigung der wirkenden Kraft
wieder auf Null zurück (Bereich der elastischen Verformung). Für HOOKE'sche Körper (gilt für Gesteine nur in
erster Annäherung) besteht in dieser Phase zwischen der
wirkenden Kraft F und der Verformung E ein linearer Zusammenhang, in dem der Elastizitätsmodul Edie Proportionalitätskonstantedarstellt.
- Oberhalb dieses Punktes bewirkt eine Erhöhung der wirkenden Kraft eine irreversible Verformung, die als Bruchverformung oder, für den Bereich der Naturwerksteinverwitterung wohl weniger bedeutsam, als plastische Deformation (2.B. plastisches Fließen, Kornregelung) ausgebildet sein kann. Da sich Natursteine nur annähernd wie
HOOKE'sche Körper verhalten, kann noch im elastischen
Stadium die Bruchverformung einsetzen und zur Mikrorißbildung führen. Im Labor bestimmbare Größen, die etwas
über das Bruchverformungsverhalten aussagen, sind die
Druck-, Zug-, Biege- und Scherfestigkeit.
die Trockenrohdichte 0, ist der Quotient aus md und dem
GesamtvolumenV, (beinhaltetauch das Volumen der Poren).
Somit ist Osausschließlicheine Funktionder Mineralzusammensetzung des betreffenden Gesteins, 0, wird neben dem
Mineralbestand noch von der Porosität bestimmt. Die praktische Ermittlung beider Größen geschieht bei der Porositätsmessung mit dem Auftriebsverfahren über die Beziehungen:
-
Alle Größen, die mit der Festigkeit und dem Verformungsverhalten verknüpft sind, sind von komplexer Natur. Wichtige
Einflußgrößen sind nach PESCHEL (1983: 90 f.): Innere
Festigkeitsverhältnisse der Einzelkörner, Erhaltungszustand
der Einzelmineralien (2.B. wirkt sich fortschreitende Zersetzung der Feldspäte festigkeitsmindernd aus), Festigkeit der
Kornbindung, Korngrößen und Korngrößenverteilung, Vorhandensein von Mikrorissen, Orientierung von Gemengteilen,
Porenraum und seine Ausbildung, Poreninhalt und Spannungszustände, die mit der ursprünglichen Lagerung im Gebirgsmassiv zusammenhängen.
3.3.1. Dichte und Trockenrohdichte
Die Heterogenitätdes Gesteinserfordertdie Definitianmehrerer Dichten. Die DIN 52102 in der Fassung vom August 1988
unterscheidet eine "DichteJ'(entspricht der "Reindichte" in der
früheren Fassung) und eine "Trockenrohdichte" (vormals
"Rohdichte").
Die DichteOsistalsQuotient ausder Massedervollkommen
trockenen Probe m, und des Feststoffvolumens Vs definiert,
mua = Masse der Probe unter Auftrieb [g]
mw = Masse der vollkommen wassergesättigten Probe [gl
O„ = Dichte von Wasser [I ,000 g/cm3]
Es wurden diesselben Proben wie für die Porositätsmessungen verwendet (siehe S. 19), die gemessenen Werte sind in
Tab. 14 aufgelistet.
Tab. 14: Dichte und Trockenrohdichte der untersuchten Sandsteine
%
'
%
Gestein
Lindlarer Grauwacke
Lossburger Sandstein
Seedotfer Sandstein
Heilbronner Sandstein
Velpker I Sandstein
Velpker I1Sandstein
[g/cm3]
is/cm31
2.580+ 0,009
2,294r 0,004
2,166+ 0,006
2,172i 0,034
2,258t 0,013
2,301+ 0,006
2,700* 0.008
2,671t 0,003
2,677* 0,002
2,678I 0,004
2,645+ 0,004
2,652I0,001
Mittelwert und Standardabweichung aus einer Vielzahl von Proben
bestimmt (genaue Anzahl für jede Gesteinsart siehe S. 19)
Die Trockenrohdichte vermittelt einen ersten groben Anhaltspunkt über das zu erwartende Festigkeitsverhalten: Je
höher sie liegt, umso höhere Festigkeit ist zu erwarten.
Die Abhängigkeit der Dichte vom Mineralbestandzeigt sich
bei den untersuchten Sandsteinen deutlich: Die zu 90% aus
Quarz aufgebauten Varietäten des Velpker Sandsteins haben
Tab. 15: Dichte von einigen arn Aufbau von Sandsteinen beteiligten Mineralen und Gesteinen (Werte aus SCHÖN 1983)
Minerale:
Quarz
Feldspat
Glimmer
Calcit
Kaolinit
Limonit
Gesteine:
2.64 - ,266
2,55- 2.76
2,76- 3,12
2,70- 2,74
2,58- 2,60
3.50 - 3,80
Phyllit
Glimmerschiefer
Quarzit
2,75
2,78
2,64
Alle Angaben in g/cm3
Günthw WEISS
31
Tab. 16: Biegezug- (G),
Gestein
und Druckfestigkeit (G,) der untersuchten Sandsteine
Lindlarer Grauwacke
Lossburger Sandstein
Seedorfer Sandstein
Heilbronner Sandstein
%
INImm9
34,88 + 4'57
19.18 I0,43
12.31 + 0,89
16.76 + 1,81
Velpker I Sandstein
10,75 t 0,43
Velpker ll Sandstein
2,98 I0,25
0,
INImWl
180
89 - 124
111
74 - 154
Werte zu o, aus:
Unveröff Prüfzeugnis Staatl. Mat.prufamt Berlin (1941)
FRANK (1944), DIENEMANN & BURRE (1929)
Keine Angaben vorhanden
Unveröff. Prüfzeugnis Versuchsanst. f. Stahl, Holz und Steine der
TH Karlsruhe (1984)
DIENEMANN & BURRE (1929), SICKENBERG (1951)
Bei der Biegezugfestigkeitwurden Mittelwertund Standardabweichungaus einer unterschiedlichenAnzahl von Probanden berechnet: L: 8; P: 4;
S: 7; H: 8; VI: 4; VII: 6.
ziemlich genau die Dichte des reinen Quarzes (2.65 g/cm3), während alle anderen Sandsteine - aufgrund ihrer wechselnden Zusammensetzunq aus Quarz und den in ihrer Mehrheit
spezifisch schwereren Feldspäten, Glimmern, Gesteinsbruchstücken und Bindemitteln - höhere Dichten aufweisen.
In Tab. 15 finden sich Angaben zur Dichte von Mineralen und
Gesteinen, soweit sie am Aufbau von Sandsteinen wesentlich
beteiligt sind.
3.3.2. Biegezugfestigkeit und Druckfestigkeit
Das Bruchverformungsverhalten eines ~ec'teinsIäßt sich
mittelsseiner Druck-, Zug-, Biege- und Scherfestigkeit charakterisieren. Nach SCHUH (1987: 25 ff.) ist die Druckfestigkeit
hauptsächlich ein Maß für die Anzahl der Korn-zu-Korn-Kontakte, die Zugfestigkeit dagegen stellt ein Maß für die Haftung
der Körner untereinander dar. Letztereist für die oben erwähnten physikalischen Verwitterungsprozesse, bei denen das
Gefüge eines Natursteins Überwiegend auf Zug beansprucht
wird, von größerer Bedeutung.
Da die direkte Ermittlung der Zugfestigkeit zumeist mit
meßtechnischen Schwierigkeiten verbunden ist, wird häufig,
wie auch hier, die biaxiale Biegezugfestigkeit als Maß für den
Kornzusammenhalt angegeben. Auf eigene Messungen zur
Druck- und Scherfestigkeit wurde verzichtet. Die in Tab. 16
aufgeführten Werte zur Druckfestigkeit sind - soweit vorhanden - der Literatur entnommen.
Anstelle der Biegezugfestigkeit von Gesteinsprismen wurde die Biegezugfestigkeit von Scheiben nach einem Meßverfahren, das bei WITTMANN & PRIM (1983) beschrieben ist,
geprüft. Die praktische Durchführung der Messungen erfolgte
mit einer computergesteuerten Universalprüfmaschine der
Fa. Zwick am Bayerischen Landesamt für Denkmalpflege
unter der Mithilfevon Herrn Dipl.-Geol. L. Sattler (zur Meßmethodik siehe auch SATTLER & SNETHLAGE 1988).
Als Probendienten bei 105°C bis zur Gewichtskonstanzgetrocknete Scheiben ( 0 73,5 mm, d = lomm), deren Ober- und
Unterseite planparallelwar. Diese lagen einem Metallring mit
0 60 mm auf und wurden über einen zweiten Metallring mit
0 20 mm zentral bis zum Bruch belastet. Die Prüfgeschwindigkeit (= Relativgeschwindigkeit, mit der sich die beiden
Ringe gegeneinander bewegen) lag konstant bei 0,5 mmlmin.
Mittels einer Druckdose wurde die aufgebrachte Kraft, mittels
eines induktiven Wegaufnehmers die daraus resultierende
Durchbiegung der Scheibe automatisch registriert und als
Spannungs-Dehnungs-Diagrammauf Bildschirm oder Plotter
ausgegeben. Mit Ausnahme des Velpker I Sandsteins wurden
die anderen Gesteine senkrecht zu ihrer Schichtung belastet.
Pro Sandsteinart standen vier bis acht Proben für die Prüfung
zur Verfügung.
Die Biegezugfestigkeit o, ergibt sich nach WllTMANN &
PRlM (1983) aus:
Münchner Geowiss. Abh. (B)9
Mit:
Fbr= Auf den Belastungsring aufgebrachte Bruchkraft [NI
d = Dicke der Gesteinsscheibe [mm]
V = Poissonzahl (Annahme hier: V = 0,25)
a = Radius des Auflageringes [mm]
b = Radius des Belastungsringes [mm]
R = Radius der Gesteinsscheibe [mm]
3.3.3. Allgemeines zur Gesteinsverformung unter statischen und dynamischen Bedingungen
In der Elastizitätstheorie werden elastische Körper als Medien
verstanden, bei denen jedem Spannungszustand ein eindeutig definierter Deformationszustand entspricht. Mathematisch
Iäßt sich dies so formulieren, daß der Spannungstensor G,,
(Tensor: = erweiterter Vektorbegriff), der Deformationstensor
E und der Elastizitätstensor C:k%indeutig über die Beziehung
miteinanderverknüpftsind.Bei einem triklinen System besteht
der Elastizitätstensor aus 21 voneinander unabhängigen
Komponenten, die sich unter der Annahme eines isotropen
Systems (wie es für Gesteine vereinbart wird) auf zwei (sog.
LAME'sche Konstanten p und T) reduzieren. Für praktische
Anwendungen werden i. allg. die Konstanten E (Elastizitätsoder YOUNG-Modul), V (POISSON'sche Querkontraktionszahl) und G (Torsions- oder Schubmodul), die sich aus den
LAME'schen Konstanten errechnen lassen (siehe SCHON
1983: 79), zur Charakterisierung der Elastizitätseigenschaften
bevorzugt.
Gesteine stellen aber keine ideal elastischen Körper dar.
Folglich sind die oben angeführten Moduln nicht eindeutig
bestimmt und hängen z.B. ganz entscheidend von der Deformationsgeschwindigkeit ab. Daher macht es einen Unterschied, ob man diese Konstanten über statische (längerfristige
Krafteinwirkung) oder dynamische (kurzfristige Krafteinwirkung) Methoden mißt. Nach SCHON (1983: 351) soll man
aufgrund der Abhängigkeit von der Verformungsgeschwindigkeit nicht von "dem statischen E-Modul" oder "dem dynamischen E-Modul" sondern vom "statisch bestimmten E-Modul"
und vom "dynamisch bestimmten E-Modul" sprechen, wobei
die jeweiligen Versuchsparameter (Belastungsgeschwindigkeit, Spannungszustand, Temperatur) anzugeben sind.
Der "statische E-Modul" Iäßt sich aus den Spannungs-Dehnungs-Kurven bei Druck-, Zug- oder Biegebelastung errechnen. Gebräuchliche Verfahren zur Ermittlung des "dynamischen E-Moduls" sind das lmpulslaufzeitverfahren (direkte
Laufzeitmessung von Ultraschallimpulsen) oder das Resonanzfrequenzverfahren (Frequenzmessung stehender Wellen). Beide Verfahren sind in Theorie und Praxis bei MlLlTZER
& WEBER (1987) beschrieben. Eine neue Methode zur Bestimmung des "dynamischen E-Moduls" mit Hilfe des
GRINDOSONIC-Meßgeräteswird in Punkt 3.3.5. vorgestellt.
Die Ursachen für den Unterschied zwischen statisch und
dynamisch bestimmtenModulnsind nach SCHÖN (1983: 356)
folgendermaßen begründet:
- Unterschiedliche Zeit der Spannungseinwirkung
(tHa,>> t„): Bei statischer Beanspruchung treten elastische und inelastische, bei dynamischer Belastung nahezu
nur elastische Verformungen auf.
- Unterschiedliche Verschiebungsbetrage an Korngrenzen
(E stat z E dyn): Nichtlinearität im Spannungs-VerformungsVerhalten sowie Gleitvorgänge an Kornkontakten können
bei statischer Belastung relativ große, irreversible Deformationen hervorrufen.
3.3.4. Statisch bestimmter EyModul aus dem Biegezugversuch
Aus den Spannungs-Dehnungs-Kurvendes in 3.3.2. beschriebenen Versuches zur Bestimmung der Biegezugfestigkeit an
Gesteinsscheiben kann, nach WITTMANN & PRIM (1983), ein
statischer E-Modul unter Anwendung nachfolgender Beziehung errechnet werden:
Mit:
F =
f,, =
d =
a =
b =
V =
i
Auf den Belastungsringaufgebrachte Krafi [NI
Durchbiegung der Scheibe [mm]
Dicke der Scheibe [mm]
Radius des Auflageringes [mm]
Radius des Belastungsringes [mm]
Poissonzahl (Annahme hier: V = 0,25)
Die Größen a und b sind konstant, die Poissonzahl (als Maß
der Querdehnung) wurde als konstant angenommen, die
Dicke d ließ sich messen. Das zur Berechnung des E-Moduls
noch fehlende Wertepaar (F, f,,) ergibt sich aus der o-E-Kurve.
Die Durchbiegung f,, wurde dabei am Punkt 213*0„ (Tab. 16,
Abb. 14) des jeweiligen Gesteins ermittelt, die zugehörige
Kraft erhält man unter Bezugnahmeaufdie gemessene Bruchkraft Fbr.Bis zu diesem Punkt wurde die Verformung als
reversibel betrachtet. Der errechnete statische E-Modul entspricht damit einem Sekantenmodul (WESCHE 1977: 73) mit
den Durchgangspunkten (0,O) und (Fwdzy f,(„**).
Tab. 17: Statisch bestimmter E-Modul der untersuchten Sand-
steine
Gestein
Lindlarer Grauwacke (Iss)
Lassburger Sandstein (Lss)
Seedorfer Sandstein (
SC)
i
Heilbronner Sandstein (Lss)
Velpker I Sandstein (/Iss)
ss)i
Velpker IISandstein (
In Tab. 17 sind die statisch bestimmten E-Moduln in ihren
lntervallgrenzen aufgeführt. Man erkennt, daß diese selbst
innerhalb eines Sandsteintypes stark schwanken können,
eine Beobachtung, die sich in ahnlicher Weise bei SCHUH
(1987: 25 ff.) findet. Größenordnungsmäßig stimmen die
ermittelten E-Modul-Werte mit aus der Literatur bekannten
Werten (z.B. SCHUH 1987, VILLWOCK 1966) überein.
Die Abb. 14 zeigt in einer vergleichenden Darstellung das
Verformungsverhalten der untersuchten Sandsteine bis zum
Bruch anhand einzelner, repräsentativer Proben.
D u r c h b i e g u n g f,,
lmml
Abb. 14: Spannungs-Dehnungs-Kurvender untersuchten Sand-
steine bei einaxialer Biegebeanspruchung
3.3.5.
Dynamisch bestimmter E-Modul mit dem GRINDOSONIC-Veriahren
Die beiden klassischen Methoden zur Ermittlung des dynamisch bestimmten E-Modules sind das lmpulslaufzeitverfahren und das Resonanzfrequenzverfahren.
Beim lmpulslaufzeitverfahren wird die Laufzeit der Transversal- und der Longitudinalwellen durch einen Gesteinskörper
bekannter ~ ä n ~ e u beinen
e r Ultraschallgeber und -empfänger
direkt gemessen. Aus den daraus sich erqebenden Geschwindigkeiten vs und vplassen sich die ~ o d u i n
E, V und G berechnen (MILITZER & WEBER 1987).
Das Resonanzfrequenzverfahrenberuht auf der Analyse von
Resonanzschwingungenstabförmiger Proben. Diese werden
mit einem Sinusgenerator zu mechanischen Schwingungen
angeregt, bis die Erregerfrequenz in etwa der Eigenfrequenz
der Probe entspricht. Aus der Schwingungsdauer der Eigenfrequenz lassen sich die Wellengeschwindigkeitenund daraus
wiederum E, V und G ermitteln (MILITZER & WEBER 1987,
ROST 1982).
Eine weitere Möglichkeit der E-Modulbestimmung bietet
das GRINDOSONIC-Gerät der Fa. Lemmens-Elektronica in
LöwenIBelgien. Dieses Instrument wurde an der Universität
Löwen von Prof. Peters und Mitarbeitern entwickelt und
war ursprünglich zur Härtebestimmung von Schleifscheiben
gedacht. Zwischenzeitlich hat es aber auch Eingang zur EModul- bzw. Festigkeitsbestrmmungan anderen Werkstoffen
gefunden (z.B. bei CHATRE, GOURLAOUEN & POIRSON
1978, bei GÖRLACHER 1984, bei DIALER et al. 1987).
Vom physikalischen Prinzip her ist das GRINDOSONIC-Verfahren mit dem Resonanzfrequenzverfahren verwandt. Wird
Günfher WElSS
EI ngongssignal
Grundschwingung
-C-
Elektronische
Filterung
Uberlagerung
komplexer
I
-
I
D ~ g r f o l eA n z e i g e d e r
d o p p e l t e n Srhwingungsdauer T in I p s l
L T ~
Schwingungen
Richtung der
S c h wr n g u n g s a n r e g u n g
Piezo
-
elektrischer
Taster
I
Gesteinsprisma
Abb. 15: Schematische Darstellung der Bestimmung des dynamischen E-Moduls mit dem GRINDOSONIC-Verfahren
ein Körper durch einen Stoß, Schlag 0.ä. zu Schwingungen
angeregt, so sind diese anfangs sehr komplex und hängen u.a.
von der Art und Stärke der Anregung sowie von den physikalischen und geometrischen Eigenschaften des Körpers ab.
Wird diesem jedoch durch günstige Auflagerbedingungen die
Ausbildung einer freien Biegeschwingung erlaubt, dann stellen sich nach kurzer Zeit Eigenschwingungen ein. Mit dem
GRINDOSONIC-Gerät ist es auf elektronischem Wege möglich, diese Eigenschwingung aus den z.T. noch vorhandenen
und überlagernden Störschwingungen auszufiltern und ihre
Schwingungsdauer zu bestimmen.
Alsgünstige Körperfür die Messungen haben sich Prismen
und Scheiben etwiesen, die allerdings gewissen geometrischen Abmessungen gehorchen müssen (bei Scheiben:
Durchmesser/Dicke > 3,3; bei Prismen: LangeIHöhe z 3).
DenAblauf der Messung zeigt die Abb. 15. Mit einem Hämmerchen wird ein Gesteinsprisma oder eine -Scheibe zu Schwingungen angeregt. Die Probe wird während der Messung auf
einem weichen Schaumstoff gelagert. Damit erzielt man den
gleichen Effekt, als ob sich die Auflager in den Schwingungsknoten befänden: Es können sich freie Biegeschwingungen
entwickeln, ohne daß Eneraie an den Unterarund abaestrahlt
wird. Die erzeugten ~ c h w i n ~ u n ~ s s i ~werden
nale
einem
oiezo-elektrischen Taster aufaenommen und verstärkt. Nach
Abklingen der ~ t ö r s c h w i n ~ u n ~öffnet
e n sich ein elektronisches Gatter und gestattet acht Perioden des Eingangssignals, das Zeitgebergatterzu passieren. Aus diesem gefilterten
Signal wird die Schwingungsdauer von zwei Schwingungen
ermittelt und auf ein digitales Anzeigefeld in ps ausgegeben
(GÖRLACHER 1984).
Die Ermittlung des E-Moduls aus der Eigenfrequenz der Biegeschwingung erfolgt über eine komplexe Differentialgleichung (siehe SCHREIBER, ANDERSON & SOGA 1973:
88 ff.). Diese kann nur mit Hilfe numerischer Methoden gelöst
werden, wobei folgende Parameter zu berücksichtigen sind:
Länge, Dichte und Eigenfrequenz bzw. -schwingungsdauer
der Probe, Radius der Kreisbewegung des Probekörpers
senkrecht zur Schwingungsanregung, Formfaktor des angeregten Körpers (abhängig von seiner Form, Größe und Poissonzahl), weiterhin eine schwingungsartabhängigeKonstante
(davon abhängig ob Grundschwingung oder ob "Obertöne" in
Münchner Geowiss. Abh. (B) 9
der Probe stattfinden), sowie die Dämpfung der1Eigenschwingung und die Aufnahme des Schwingungssignats über einen
Piezo-Taster.
Ein Teil dieser Faktoren ist beim GRINDOSONIC-Gerät
bereits in Form von Konstanten zusammengefaßt, so daß der
E-Modul einer Gesteinsprobe unter Kenntnis ihrer geometrischen Abmessungen, ihrer Masse und der gemessenen
Schwingungsdauer in guter Annäherung berechnet werden
kann.
In ~orversuchenwurde zunächst die Abhängigkeit des mit
dem GRINDOSONIC-Gerät bestimmten E-Moduls von äuße'ren Parametern, wie Temperatur, Feuchte, geometrischen
Abmessungen und Einfluß der Schichtung untersucht.
Die Temperaturabhängigkeit, die nur qualitativ erfaßt werden
konnte, zeigt eine Abnahme des E-Moduls mit zunehmender
Temperatur. Dies ist nach WESCHE (1977: 49) so zu erklären,
daß bei höherer Temperatur, durch Wärmeschwingung der
Moleküle und Atome, die Abstände zwischen den Bausteinen
größer und daher die Bindungsenergien geringerwerden, was
zu einer leichteren Verformbarkeit des Stoffes führt.
Zur Ermittlung der Feuchteabhängigkeit wurden prismatische
Gesteinsproben zunächst unter Vakuum mit Wasser vollgetränkt und anschließend unter normalen Laborbedingungen
(T = i 22"C, rh = 30 %) getrocknet. Während desTrocknungsVorganges gelangte immer wieder die E-Modulmessung mit
dem GRINDOSONIC-Gerät zur Anwendung.
Die Abb. 16a-f demonstriert die jeweilige Abhängigkeit des EModuls von der aufgenommenen Wassermenge. Letztere ist
als Sättigungsgrad (S) dargestellt, ersterer ist in bezug zum
jeweiligen E-Modul im vollkommen trockenen Zustand (= E,)
gesetzt.
Jedes Gestein weist einen charakteristischen Sättigungsgrad
auf (Spannweite von S = 0,l bei den beiden Varietäten des
Velpker Sandsteins bis S = 0,5 bei der Lindlarer Grauwacke),
unterhalb dem eine E-Modulmessung mit dem GRINDOSONIC-Gerät erst möglich ist. Liegt der Wassergehalt oberhalb dieses Wertes, dann dämpft das im Porenraum befindliche Wasser das Schwingungssignal so stark, daß es mit dem
GRINDOSONIC-Gerät nicht mehr verarbeitet werden kann.
Heilbranner
10
0
20
30
-
.
Sandstein
40
50
Sattigungsgrod 1% I
E I E o /%I
Velpker Sandrtrdn I
100
l a s s b u r g e r Sondztejn
100-
P.
D
95-
85
-
80
-
94
O
.
71i-
'
70-
-
0
65
0
.
J
85
P
=
Probe P I
P2
P3
"
P4
4
1
li
.
U
80
-
-
=
>0
.a
1
65
,D-II:
1:
Sdtttgungsgrad
.
llL
Probe V 1
'
V3
1
1
0
I
2
I
4
I
3
I
I
5
1
I
+
6
7
8
S o t t i g u n g s g r o d 1% I
1% l
E/FJ%I
Z e e d o r f e r Sondstern
120
100
-.-*.
Velpker J I Sondrtein
-
90
80
-
10
?
'.
0
' 0
-
.
.
=
Probe V1141
"
U
#
4.4
"
"
n
20
1
in.
D
" C S
I
2
I
3
.
A
" 4 6
I
0
da*
-
I
1
I
5
I
6
I
7
1
I
8
I
I
-
9
1
0
S o t t i gungsgrßd I % ]
Abb. 16: Abhängigkeit des dynamisch bestimmten E-Moduls in Abhängigkeit vom im Porenraum befindlichenWasser
Ein Abfall des E-Modules als Funktion eines zunehmenden
Wassergehaltesfälltfür alle untersuchten Sandsteine deutlich
ins Auge. Beim Festigkeitsverhalten ist dieses Phänomen seit
langem bekannt. So stellte HIRSCHWALD (1912) einen deutlichen Unterschied zwischen der Druckfestigkeit bei trockenen
und nassen Probenfest und definierte daraus den sog. "Erweichungs-Coeffizienten". Bei SCHUH (1987: 26) wird die Erniedrigung des €-Moduls undder Druckfestigkeit auf die Schmierwirkung von dicken Wasseriilmen, insbesondere im Bereich
der Tonminerale, zurückgeführt. Eine derartige Schmietwirkung ist aber nicht nur auf tonig gebundene Sandsteine
beschränkt, da gerade der weitgehend tonmineralfreie und
fast ausschließlich aus Quarz bestehende Velpker Sandstein
beim E-Modul am empfindlichsten auf Wasser reagiert
(Abb. 16 e,f). Anscheinend vermögen dicke Wasserschichten, die im Bereich der Kornkontakte eingelagert sind (hier
kommen z.B. die langen und sehr schmalen Poren zwischen
den Längsseiten benachbarter Körner in Abb. 13 a,b in Betracht), den Reibungswiderstand drastisch herabzusetzen.
Sehr dünne Wasserfilme auf den Oberflächen hingegen können die Festigkeit u.U. sogar erhöhen (Mobilisierung zusätzlicher Kohäsionskräfte ?), wie das Beispiel des Velpker II
Sandsteines zeigt. Hier steigt der E-Modul bei einem Wasseranteil von 0,03 Gew.% (entspricht einem Sättigungswert von
0,005) um bis zu 15 % gegenüber den vollkommen trockenen
Proben an (Abb. 16f). Dieses Phänomen ist ebenso bei ZECH
(1981: Abb. 34 36) beschrieben, der bei der Messung des
dynamischen E-Modules an unterschiedlich feuchtegelagerten Zementsteinproben darauf gestoßen ist. Eine detaillierte
Untersuchung dieses Effektes konnte im Rahmen meiner
Arbeit allerdings nicht durchgeführt werden.
-
Um den Einfluß der geometrischen Abmessungen abzuschätzen, wurde die GRINDOSONIC-Messung an trockenen Gesteinsscheiben mit einem Durchmesser von 73,5 mm und
einer Dicke von Ca. 10 mm und an trockenen Prismen mit
140 mm * 35 mm * 35 mm durchgeführt. Die Meßergebnisse
sind in Tab. 18 aufgelistet. Zum Entscheid über einen signifikanten Unterschied zwischen den Mittelwerten beider Meßreihen wurde der Student-t-Test herangezogen (siehe
MARSAL 1979: 63 f.).
BeimVelpker I Sandstein, beim HeilbronREN;Smdsteinund bei
der Lindlarer Grauwacke sind keine signifikanm Unterschiede auf dem 99 %-Signifikanzniveau und bei zweiseitigemTest
nachweisbar. Die anderen Gesteine zeigen eine mehr oder
weniger ausgepragte Diskrepanz, die allerdings beim Lossburger und Seedorier Sandstein auf eine Abweichung von Ca.
10 % der jeweiligen Mittelwertebeschränkt bleibt. Der Unterschied der Mittelwerte beim Velpker II Sandstein ist wohl
darauf zurückzuführen, daß die beiden Bereiche des Ge-
Günther WElSS
Tab. 18: Vergleich des mit dem GRINDOSONIC-G~~~~
dynamisch bestimmten E-Moduls an Scheiben und Prismen
Gestein
E-Modul
von Scheiben
E-Modul
von Prismen
8
54,10 [kN/mm2]
1,02 [kN/mm2]
11
55,09 [kN/mm2]
1,70 [kN/mm2]
P
8
M
S
21,37 [kN/mmq
0,63 [kN/mrn2]
29
20,59 [kN/mm2]
0,95 [kN/mm2]
P
Lindlarer Grauwacke
M
S
Signifikanter
Untersch~ed
95 % S.
nein
99 %S.
nein
95 % S.
ja
99 % S.
nein
95 %C.
nein
99 % S.
nein
95 % S.
ja
99% S.
ja
Lossburger Sandstein
Seedorfer Sandstein
Heilbronner Sandstein
Velpker l Sandstein
P
M
4
24,93 [kN/mmq
0,39 [kN/mmq
S
Velpker ll Sandstein
P
M
S
6
-
8,35 [kN/mm2]
0,48 [kN/mm2]
11
25,39 [kN/mm2]
1,24 [kN/mmq
30
10,74 [kN/mm2]
1.17 [kN/mm2]
C
P : Anzahl der Probanden; M : Mittelwert der Messunuen; S : Standardabweichung
95% S. : 95% Signifikanzniveau; 99% S. : 99% ~i~nifikanzniveau
steinsblockes, aus denen die Scheiben bzw. Prismen entnommen wurden, bereits primär unterschiedliche Verkittung der
Körner untereinander und damit einen unterschiedlichen EModul aufwiesen. Insgesamt betrachtet kann man davon
ausgehen, daß es sich bei dem mit dem GRINDOSONICGerät bestimmten E-Modul um eine Materialkonstante handelt, die weitgehend uhabhängig von der Probengeometrie
bestimmt werden kann.
Der Einfluß der Schichtung konnte an rechtwinkligen Sandsteinprismen, bei denen jeweils ein langes Seitenpaar parallel
zu dieser ausgerichtet war, experimentell erfaßt werden
(Ausnahme: VI). Sie wurden einmal parallel und einmal, durch
Drehung um 90°, senkrecht zu ihrer Schichtung zu Schwingungen angeregt (vgl. mit Abb. 15), wobei in beiden Fällen der
E-Modul gemessen wurde. Somit ergaben sich fur jede
Sandsteinart zwei E-Modul-Meßreihen mit unterschiedlicher
Schwingungsanregungsrichtung.Aus diesen wurden jeweils
Mittelwert und Standardabweichuna berechnet. Zur Aufdekkung eines signifikanten ~nterschie;deszwischen den beiden
Mittelwerten gelangte wiederum der Student-t-Test (99 %
Signifikanzniveau, zweiseitiger Test) zur Anwendung.
Bei keiner der fünf untersuchten Sandsteinarten konnte
eine signifikante Abweichung der miteinander verglichenen
Mittelwerte festgestellt werden. Folglich sind die Auswirkungen der schichtungsbedingten Anisotropie auf den mit dem
GRINDOSONIC-Verfahren ermittelten E-Modul als vernachIässigbar einzuschätzen. Bei allen Meßwerten zum dynamischen E-Modul an Prismen, die in dieser Arbeit vorgestellt
werden, handelt es sich daher um einen Mittelwert, gebildet
aus einer Messung mit schichtungsparalleler und einer mit
hierzu senkrechter Schwingungsanregung.
Bei den Gesteinsscheiben bot sich die Möglichkeit an, neben
dem mit dem GRINDOSONIC-Gerät gemessenen dynamischen E-Modul, zusätzlich die biaxiale Biegezugfestigkeit
(siehe 3.3.2.) und aus dem Biegezugversuch den statischen
E-Modul (siehe 3.3.4) zu ermitteln und die Werte miteinander
zu korrelieren. Hierzu wurden die Meßdaten von 14 weiteren
Sandsteinen, die Herr Dipl.-Geol. L. Sattler freundlicherweise
zur Verfügung stellte, in die Untersuchung miteinbezogen. Sie
sind in Abb. 17aufgelistet. IhreVorbehandlung (Trocknung bis
Munchner Geowiss. Abh. (B) 9
zur Gewichtskonstanz bei 105°C) und ihre Dimensionen entsprachen den bereits besprochenen sechs Sandsteinen.
Die Abb. 17 zeigt den Zusammenhang zwischen der biaxialen
Biegezugfestigkeit und dem dynamisch bestimmten E-Modul
(bei den eingezeichneten Punkten handelt es sich um Mittelwerte aus mindestens drei Messungen). Es ergab sich eine
lineare Korrelation mit einem Korrelationskoeffizienten r =
0,94. Damit ist der bei Sandsteinen mit dem GRINDOSONICGerät gemessene E-Modul ein aussagekräftiger Anhaltspunkt
über das zu erwartende Festigkeitsverhalten. Ähnlich positive
Erfahrungen mit der indirekten Festigkeitsbestimmung mit
Hilfe des dynamischen E-Moduls haben ODLER & HINRICHSMEYER (1985) gemacht, allerdings nicht mit dem
GRINDOSONIC-Gerät an Naturstein, sondern mit der Resonanzfrequenzmethode an Proben aus Zementmortel.
In Abb. 18 ist der jeweilige dynamisch bestimmte gegen den
statisch bestimmten E-Modul aufgetragen (wiederum Mittelwerte aus mindestens drei Messungen). Die Numerierungder
Punkte entspricht derjenigen in Abb. 17.
Wären Gesteine ideale elastische Medien, dann müßten die
auf unterschiedliche Art und Weise ermittelten E-Moduln
zusammenfallen und auf einer Linie liegen. Aus den bekannten Gründen (siehe 3.3.3.) tun sie dies aber nicht; in der Regel
sind die dynamisch bestimmten E-Moduln höher als die statisch bestimmten, da bei ersteren im wesentlichen nur reversible elastische Verformungen auftreten, während bei letzteren immer plastische Deformationen mitbeteiligt sind. Dieser
Annahme gehorchen auch die dynamischen E-Modulwerte
der meisten untersuchten Sandsteine. Lediglich Proben, die
einen hohen Anteil an tonigem oder karbonatischemBindemittel haben (Lindlarer Grauwacke, Heilbronner Sandstein,
Schleeriether Sandstein, Maulbronner Sandstein, Soester
Grünsandstein) weichen davon ab, evtl. durch eine dadurch
bedingte hohe Dämpfung der Schwingung verursacht. Einige
der erwähnten Probenwurden wegen der starken Abweichung
auch nicht in die Abb. 18 aufgenommen. Trotzdem ergibt sich
zwischen den aus dem Biegezugversuch bestimmten statischen und den mit dem GRINDOSONIC-Gerät bestimmten
dynamischen E-Moduln ein Korrelationskoeffizient von r =
~usammeiihai~g
Dynamischer E-Modu 1 - B iegezugfest igke i
A
tu'
40 --
E
:35 -h
L
-
3 0 --
?
25 --
.L
*
ai
C
vl
1
Burgsandstein (SchloB Weißenstein)
Schoppei Sandstein
V e l ~ k e Ir I S a n d s t e i n
Wucher S a n d s t e i n
5 Rbthener Sandstein
6 G o t l a n d S a n d s t e i n (m)
7 nildeshevoer Sandstein
B B b e n h e i d e r Sandstein
9 Xaulbmnner Sandstein, g e l b
I0 W U B t e n r e l l e r S a n d s t e i n
11 Obarnlrirchensr Sandmtein
1 2 N o l s e e e e s n d a t e i n ( S t . M q a r e r n e n , Ce)
13 Seedorfer Sandstein
14 S c h l e e r i e t h e r Sandstein
I 5 X e ~ l b r a m s rS s n d s e e l n
1 6 L o ~ a b u m e rS a n d ~ t e i n
I 7 V e l ~ k e Ir S a n d s t e i n
I 8 Gnfnsandatein (St.Th-s
Xirche, Soest)
19 G r f i n e a n d s t a i n ( W ~ s s & i r c h s , S o e s t )
20 L l n d l a r s r G r a w a c k e
ai
'C,
2
20 --
J
4
3
i\I
0,
ai
4i
15 -10
--
5 -0
-I
0
I
I
20
10
I
30
I
I
I
C
40
50
60
D y n a m ~ s c h e rE - M o d u l l k ~ / r n r n ~ l
Abb. 17: Zusammenhang zwischen dem mit dem Grindosonic-Gerät dynamisch bestimmten E-Modul und der Biegezugfestigkeit (die
eigenen Proben sind unterstrichendargestellt)
>tu,
7n
o u s S C H Ö N (19831
Abb. 18: Zusammenhang zwischen dem statisch und dem dynamisch bestimmten E-Modul
0,96(Regressionsgerade in Abb. 18 nicht eingezeichnet).
Die E-Modulwerte der hier näher untersuchten Sandsteine
sind in Tab. 19 zum besseren Vergleich nochmals in ihren
Intervallgrenzen zusammengefaßt. Es ist deutlich zu erkennen, daß die mit dem GRINDOSONIC-Verfahren ermittelten
dynamischen E-Moduln innerhalb einer Sandsteinart viel
weniger streuen, als die sich aus dem Biegezugversuch ergebenden, statischen E-Moduln. Bei einem homogenen Material
kann man, wie vielfache Wiederholungsmessungen an ein
und denselben Proben gezeigt haben, von einem Meßfehler
< 2 % bei der Bestimmung des dynamischen E-Moduls mit
dem GRINDOSONIC-Gerät ausgehen.
Die ausführlichen Untersuchungen zum dynamischen EModul dienten letztlich auch dem Zweck, den Einsatz des
GRINDOSONIC-Gerätesfür Gefügeuntersuchungenim Rahmen von Verwitterungssimulationsversuchen (siehe Kap. 5
Günther WElSS
Tab. 19: Vergleich des an Gesteinsscheibendynamisch und sta-
tisch bestimmten E-Moduls
Gestein
Lindlarer Grauwacke
Lossburger Sandstein
Seedorfer Sandstein
Heilbronner Sandstein
Velpker I Sandstein
Velpker II Sandstein
E,
83000 - T00000
19000 - 24000
12000 - 18000
23000 - 34000
13000 - 28000
1000 - 4000
E++
53000 - 55000
21 000 - 22500
15500 - 16500
20750 - 22000
24500 - 25500
7000 9000
-
und 6) zu prüfen. Folgende Punkte ließen hierfür eine positive
Beurteilung zu:
- Der mit dem GRINDOSONIC-Gerätermittelte dynamische
E-Modul hat sich (unter den in 3.3.3. besprochenen Vorbehalten) als Materialkonstante erwiesen, die in enger Beziehung zum statischen E-Modul und zur Gesteinsfestigkeit
steht. Voraussetzung für die Vergleichbarkeit der Meßergebnisse sind allerdings gleiche äußere Bedingungen
(Temperatur, Feuchte) sowie eine Probengeometrie, die
die Ausbildung einer freien, ungestörten Biegeschwingung
zulassen.
- Das Meßgerät ist einfach zu handhaben, liefert reproduzierbare Ergebnisse mit hoher Genauigkeit, benötigt pro
Messung nur wenige Sekunden Zeit und hat den großen
Vorteil, daß es zerstörungsfrei arbeitet. ,
3.4. Vefiormungseigenschaften unter hygrischer und
thermischer Beanspruchung
Die Verformung eines in den Mauerverband eines Bauwerks
eingefügten Natursteins kann auf mehrerenWegenvonstatten
gehen, z.B. über gebäudebedingte Spannungen (statische
Belastungen)oder über Verwitterungsprozesse,wie die Eisbildung oder die Salzkristallisation bzw. -umkristallisation im
Porenraum des Gesteins. Daneben genügt aber bereits jede
Variation der Umweltparameter Feuchte und Temperatur, die
sich durch das Wiiierungsgeschehen und den Tag-NachtZyklus ständig ändern, um eine makroskopisch nicht sichtbare
Gestaltsänderung eines Natursteins in Gang zu setzen. Daraus resultieren, zumindest für die oberflächennahen Bereiche
eines Natursteinkörpers, Ermüdungseffekte im Gesteinsmaterial, die den Zerfall vorantreiben (SNETHLAGE 1984,
KRAUS 1988). Die Einflüsse der Feuchte undTemperatursind
als Wegbereiter für die Frost- und Salzverwitterung aufs engste mit diesen beiden Verwitterungsarten verknüpft.
3.4.1. Hygrische Längenänderung
Kommt ein trockener Naturstein in Kontakt mit Wasser, sei es
im flüssigen oder dampfförmigen Aggregatzustand, dann erfährter eine Ausdehnung. Dieses Phänomenwurde erst inden
letzten Jahrzehnten erkannt, so daß bis heute nur wenige systematische Arbeiten darüber existieren (NEPPER-CHRISTENSEN 1965, FELlX 1983, SCHUH 1987).
Die Gr~ßenordnung,in der sich die "hygrische Längenänderung" oder "Quellung" bewegt, liegt bei Sandsteinen, unter
Zugrundelegung der Meßwertevon FELlX (1983) undSCHUH
(1987), zwischen 100 und4000 pmlm (Eintauchen in Wasser).
Für einen Feuersteinsowie einen skandinavischen Basalt gibt
NEPPER-CHRISTENSEN (1965) Werte von maximal 100
bzw. 300 pm/m an (Lagerung bei rh = 100 %). Für Granit bzw.
Marmorfindensich bei SNETHLAGE (1984: 79) Größenangaben von 40 bis 900 pmlm bzw. 100 bis 250 pmlm.
Die physikochemischen Ursachen der hygrischen Dehnung
sind noch nicht bis ins Detail geklärt. Im allgemeinen wird die
Quellung eines Natursteins als eine komplexe Funktion seiner
Porenstruktur und seiner am Gefügeaufbau beteiligten Mineralphasen angesehen.
Münchner Geowiss. Abh. (B) 9
SCHUH (1987) miM den im Sandstein enthaltenen TontWnelen (überwiegend Illit, Chlorit, Kaolinit) eine besondere Bedeutung zu. Tonminerale haben das Bestreben, Wassermoleküle an ihren Oberflächen anzulagern, bis ein geschlosCener
Wasserfilm entsteht. Steht mehr Wasser zur Verfügung, dann
soll, nach SCHUH (1987), durch osmotischen Druck weiter
Wasser zwischen die Tonpartikel gesogen werden. Dadurch
vergrößern sich die gegenseitigen Teilchenabstände. Den
Messungen von SCHUH zufolge besteht zwischen dem'Ausmaß der hygrischen Dehnung und dem Tongehalt eines
Sandsteins ein direkter Zusammenhang.
Neben den Tonmineralen müssen aber zusätzlicheEffekte bei
der hygrischen Längenänderung mitspielen, wie die oben
aufgeführten Werte für tonmineralarme bzw. -freie Gesteine
wie Basalt, Granit, Marmor und Feuerstein beweisen.
Noch komplexere Vorgänge laufen ab, wenn anstelle des
Wassers Elektrolytlösungen im Porenraum eines Sandsteins
zirkulieren, was bei einem Bauwerk fast immer der Fall sein
dürfte (vgl. KRAUS 1985: 144 ff.). Je nach der lonensusarr;l*
mensetzung der Lösung kann dann die dem Stein zueigene
hygrische Längenänderungreduziertodererhöhtwerden (frdl.
mdl. Mitt. durch Herrn Dr. Wendler). Salze, die in den Oberflächenzonen eines Natursteins angereichert sind, können
wegen ihrer Hygroskopizität ebenfalls die Quellung stark bea
einflussen (KRAUS 1988).
Einflüsse, die auf Salze und die damit verbundenen Lösungen
zurückgehen, konnten bei den eigenen Untersuchungen zur
hygrischen Dehnung nicht berkksichtigt werden. Zur Ermittlung des Quellverhaltens wurden hiervon jeder Sandsteinart
drei Zylinder (035 mm, h Ca. 60 mm) für 24 h (im Falle der
Lindlarer Grauwacke für 72 h) in aufrechter Stellung in entionisiertes, Ca. 20°C warmes Wassergestellt. Die Feststellung
des Längenänderungsbetrageserfolgte, in Anlehnung an den
Versuchsaufbau von SCHUH 11987), mittels Dehnunasmeßstreifen (Meßlänge 10 mm), die über einen ~~ezialkleber
fest
mit dem Stein verbunden waren. Deren spezifische Widerstandsänderung konnte über eine Wheatstone'sche Brückenschaltung (hier als Halbbruckenschaltung,wobei ein auf einen
Glaszylinder aufgeklebter Dehnungsmeßstreifen als Vergleichswiderstand diente) mit einem digitalen Dehnungsaufnehmer DMD 20 der Fa. Hottinger-Baldwin Meßtechnik
GmbH erfaßt werden. Zugleich bestand über einen angeschlossenen X-T-Schreiber die Moglichkeit, den zeitlichen
Verlauf der Dehnung zu registrieren. Zur Kontrollewurde die
Quellung gleichzeitig mit einer mechanischen Meßuhr
(Genauigkeit 111000 mm) über die gesamte Probenlänge
gemessen.
In Tab. 20 sind die Endwerte der hvgrischen Dehnung bei
Beendigung des Versuches festgehalten. Abb. 19 vergleicht
die beiden Meßmethoden zur Bestimmung der Länqenänderung. In Abb. 20 ist der zeitliche Verlauf der Quellung dargestellt.
Die Ausdehnung der untersuchten Sandsteinproben betrug
100 bis 1500 pmlm (Tab. 20) und liegt damit innerhalb der von
FELlX (1983) und SCHUH (1987) für Sandsteine festgestellten Grenzen. Die Bedeutung des Tonmineralanteils für den
Endbetrag der Quellung wird auch hier sehr deutlich. Der
Heilbronner Sandstein mit dem höchsten Tonmineralanteil
(Tm.) am Bindemittel (ca. 14 %, vgl. mit Tab. 1) besitzt, unter
den oben angegebenen Versuchsbedingungen, mit ca. 1400
pm/m die größte hygrische Dehnung E ,. Gestaffelt nach ihrem
abnehmenden Tongehalt folgen dann der Seedorfer Sandstein (Tm. = 9 %, e h= 1300 pm/m), die Lindlarer Grauwacke
(Tm. = 8 %, E,,= 830 pmlm), der Lossburger Sandstein (Tm.
= 6 %, E,, = 720 pmlm), der Velpker II Sandstein (Tm. = 4 %,
E~ 550 prnlm) und der Velpker I Sandstein (Tm. = 1 %, eh*
160 pm/m).
Tab. 20: Hygrische Dehnung der untersuchten Sandsteine bei
24(72)-stündiger Wasserlagerung
Gestein
Pr. I
*Lindlarer Grauwacke
DMS
M
#Lossburger Sandstein
DMS
M
#Seedorier Sandstein
DMS
M
#HeilbronnerSandstein
DMS
M
#Velpker ISandstein ')
DMS
#Velpker I1 Sandstein
DMS
Pr.2
Pr.3
815
843
808
683
836
806
752
545
697
594
694
584
1332
1113
1254
1071
1263
1106
1418
1278
1493
1402
1304
1320
155
102
220
484
450
727
Alle Angaben in pmlm und - mit Ausnahme von
Schichtung gemessen
DMS = Meßwert über Dehnungsmeßstreifen
Meßwert über mechanische Meßuhr
M
*
Endwert nach 72-stündiger Lagerung
#
Endwert nach 24-stllndiger Lageruwg
-
hygrischen Längenänderung, die einmal über eine mechanische Meßuhr über die gesamte Probenlänge, und einmal über
Dehnungsmeßstreifen auf einer Meßlänge von 10 mm, bestimmt wurden (Abb. 19). Bei den beiden Varietäten des Velpker Sandsteins hingegen war mittels der Meßuhr kaum eine
Ausdehnung festzustellen; die betreffendenMeßwerte fehlen
daher inTab. 20. Die UrsachefürdiesesVerhaltenkönnte u.U.
darin liegen, daß der Velpker Sandstein nicht in der Lage ist,
den zur Bewegung des Meßstiftes nötigen Quelldruck aufzubauen.
3.4.2. Thermische Längenänderung
Bei Erwärmung nimmt die Amplitude der schwingenden Moleküle zu, ihr gegenseitiger Abstand vergrößert sich, und der
Festkörper erfährt eine Ausdehnung. Bei Abkühlung verläuft
dieser Prozeß in der umgekehrten Richtung. Zwischen der
Längen- und der Temperaturänderung gilt folgende Gesetzmäßigkeit:
senkrecht zur
5
Die zeitliche Entwicklungder Quellung kann der Abb. 20 entnommen werden. Alle untersuchtenGesteine zeigen ein ähnliches Verhalten. Nach einer zunächst in erster Näherung
linear verlaufenden Ausdehnung verlangsamt sich der Quellvorgang und nähert sich asymptotisch einem Gleichgewichtszustand an. So weisen der Seedorfer, Lossburger und Velpker I Sandstein bereits nach 2 h mehr als 80 % der nach 24 h
erreichten Enddehnung auf. Der Heilbronner Sandstein erreicht diesen Zustand nach 5 h, beim Velpker II Sandstein
dauert dies 8 h. Bei der Lindlarer Grauwacke halt die Phase
des linearen Quellens Ca. 48 h an, ehe nach 72 h in etwa ein
Gleichgewichtszustand erreicht ist. Dieser Wert ist in Tab. 20
anstelleder24 h-Quellungaufgelistet. Der Kurvenverlauf beim
Heilbronner Sandstein laßt vermuten. daß hier die hvarische
Dehnung nach 24 h ebenfalls noch nicht gänzlich abg&hlosSen ist. Da diese Messunaen aber nur als Vorversuch. im
Zusammenhang mit der wasserlagerung für die daran'anschließenden Frost-Tauwechsel-Simulationsversuche, ausgerichtet waren, wurde auf eine genauerestudiedes Langzeitquellverhaltens verzichtet.
Bei den Sandsteinen mit nennenswerten Tonrnineralanteilen
ergibt sich eine gute Korrelation zwischen den Werten der
Mit:
AL = Längenänderung [m]
L, = Länge des Körpers im Ausgangszustand [m]
AT= Temperaturdifferenz zwischen Ausgangs- und Endzustand [K]
a = Längenausdehnungskoeffizient[K-'1
Nach HARVEY (1967) habenversuche an Gesteinen gezeigt,
daß die Dehnung (Zusammenziehung) in Abhängigkeit von
der Temperatur, nicht exakt linear sondern kurvenförmigverläuft. In erster Näherung darf aber eine Linearität angenommenwerden, man spricht dann vom "mittleren Längenausdehnungskoeffizienten".
Die experimentelle Bestimmung des thermischen Längenänderungskoeffizientena erfolgte wiederum mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen. Die Meßanordnung (Wheatstone'sche
Brückenschaltung, Halbbrücke, Duranglas als Referenzkörper) entsprach der für die hygrische Dehnung. Die Proben zur
Ermittlung der thermischen Längenänderung waren mit den
Proben zur Ermittlung der hygrischen Längenänderung identisch.
DieTrocknungder Sandsteinefandjeweils mehrereTage lang
im Trockenschrank bei einer Temperatur von 50°C statt. Von
zwei Sandsteinarten standen zusätzlich mehrere Proben zur
Verfügung, die bei 105°C getrocknet worden waren. Um eine
Feuchteaufnahme aus der Luft nach der Entnahme aus dem
Wärmeschrankzuverhindern, wurden die Gesteinszylinder im
ergleich der mit unterschiedlichen Meeethoden ermittelten
hyqrischen Dehnunqen
1600
1400
."
"
,"
bestimmt
lom I
500
1
800
r =
U. YWJ
700
800
S O 1000 1100 1200 1539
Hygrische Dehnung mit M e m r bestimmt [p/ml
1400
1500
Abb. 19: Vergleich der über unterschiedliche Meßmethoden
ermittelten hygrischen Dehnung an Sandsteinen
Abb. 20: ZeitlicherVerlauf der hygrischen Dehnungan Sandsteinen bei Unterwasserlagerung
Günther WEIS5
I
(thernische Dehnung Lindlam 'Grauwacke"
i
G e m m e linwre
RmiehnirFF;kceffizienten ,
Probe 1 ' a = 8 . 7 5 r 0 . 1 9 m K
Probe 2 a = 9 49 t 0.12 PnmK
Probe 3: U = 9.00 t O.U >in/
Probe 4 . U = 9.87 t 0 16 PIW
Mische
Dehnung -300
ipnm1
Ihernische
Dehnung
iwn1
1
Gmessene lineare
Ausdehnungslmeffizisntsn:
Pmbe 1: a = 9.R t 0.24 PWUK
Pmbe 2: a = 9.m t 8.11 PWnK
Pmbe 3: r = 9.05 t 8.11 ~wnK
Pmbe 4: r = 10.31 t 8.10 wnK
t
2
a
-so01
233
2<u
253
263'
Ieiiperatur iK1
273
283
293
b
233
243
2 s
253
Tewratur CKI
273
283
a 3
273
283
293
283
rn
I~hernischeDehnung Lindlarer "6rauuacke"i
Gemessene lineiire
Awdehnuwkoeffizienten
Pmbe 1: U = 10.80 t 0.14 W &
Pmbe 2: a 10.44 t 0.U ~ w r ä
Pmbe 3 . a 11.49 ? 0.20 ywnK
Genenene lineare
RusdehnurFF;lmeffizienten:
Probe 1: n = 10.68 t 0.15 PWnK
Probe 2 : r = 10.90 0.19 PninK
Probe 3. K = 10.15 :0.13 PwnK
--
+
3
1
243
253
E3
Ienperatur [KI
/~herniscbeDehnung Heilbmnner Sst.
-M-- Geneccene lineare
Rusdehnungskoeff tetenten
Pmhe 1: U = 11.17 0 . l lwnK
-m-~ m t e2: a = 11.68 r 0.1
P ~
Pmbe 3: u = 11.11 10.14 w n K
-300.-
'
Probe 1: a = 9 . 6 7 t 8 . 1 3 ~ n / * K
Probe 2: U = 0.26 t 0.12 )in/&
Probe 3. U lß 47 1 0.16 )*i&K
-
K
Dehnins
t)nm1
-408-
+Xi!--
m-e
3. 1
2
-7d
233
243
rn
-6mJ263
Ienperatur CKI
273
283
293
f
233
243
253
263
Ienperatur iK1
273
llhernische Dehrung Velpker 11-Sst.
Gmssene Lineare
Ausdehmngskoeffizieaten
Probe 1. U = 11.85 t 8.38 13ivnK
Pmbe 2: a = 12.38 t 0.38 ymK
~ m b e3 a = 10.85 t 8.20 P W ~ K
Dehnung
twnl
3
1
2
9
X3
E3
263
Ienperatur CKI
273
283
293
h
233
243
253
E3
W
283
293
Ienperaiur CK1
Abb. 21: Thermische Dehnung der untersuchten Sandsteine im Temperaturbereichvon +20°Cbis -30°C(Gesteinevon Abb. 21a und
21 b bei 105°C , alle anderen bei 50°C getrocknet)
Münchner Geowiss. Abh. (B) 9
Exsikkator akekühlt und anschließendin feuchteundurchlässige Polyäthylentütchen eingepackt.
Alle Sandsteinproben kamen dann zusammen mit einem
Referenzkörper aus Glas in einen Temperaturprüfschrank
VMT 140 der Fa. Heräus Vötsch, der über einen computergesteuerten TemperaturzykluS(siehe 5.3.) von +20°C auf -30°C
abgekühlt wurde. Die dabei auftretende Verkürzung des
Sandsteins wurde mit einem X-T-Schreiber aufqezeichnet.
Um jeder Längenänderungdie zugehörige ~ e m ~ e r a tzuordur
nen zu können. maß ein an der Sandsteinoberfläche befestiqtes Pt-100-Widerstandsthermometer die Temperatur, der&
kontinuierliche Registrierungmit einem zweiten X-T-Schreiber
möglich war. Unter Berücksichtigung der Eigendehnung des
Glaszylinders(a„, = 3,25 * 10-6K-l) erhält man die Diagramme der Abb. 21. Die Steigungender sich ergebenden Geraden
entsprechen den mittleren Längenausdehnungskoeffizienten
a. Der Mittel
andsteinart in Tab. 21
angegeben.
Tab. 21: Mittlere thermische Längenausdehnungskoeffizienten
der untersuchten Sandsteine
Gestein
Trocknuna bei
506
Lindlarer Grauwacke
Lossburger Sandstein
Seedorfer Sandstein
Heilbronner Sandstein
Velpker l Sandstein
Velpker ll Sandstein
10,6a1@E K-'
10,9*106K-l.
11,3*106K1
9,5*10" K 1
11,7*106K-I
13,2*106 K-I
Trocknung bei
1050~
9,3*106 K-'
9,9*106 K-I
P
P
P
Die Werte für a reichen von 9,3*106 K1bis 13,2*10+ K-I und
stimmen damit mit denen bei SCHUH (1987) überein, der für
seine Sandsteine ein Intervall von 7,6*l 0-6bis l2,3*l W6 K-'
angibt, sowie mit denen bei PESCHEL (1983), mit Wertangaben für Sandsteine zwischen 9,0*106 und 13,3*10-6K-l. Die
Temperaturabhängigkeitfüra,wiesieSCHUH (1987) irnTemperaturbereich zwischen -20% und c60°C festStellt, ließ sich
nicht beobachten. Den Einflu43 der Feuchte, die nach SCHUH
(1987) zu einer Erhöhungdes Längenausdehnungskoeffizienten führt, spiegeln die Meßergebnisse am Lossburger Sandstein und an der Lindlarer Grauwacke wider. Hier haben die
Proben, die nur bei 50°C getrocknet wurden (damit noch
Reslfeuchtevorhanden) gegenüber den bei 105°C getrockneten Proben ein um ca. 1*10-6K-' hoheres a.
Reine Quarzsandsteine, wie z.B. der Velpker Sandstein, zeigen bei gleicher Temperaturdifferenz eine größere AusdehTab. 22: Lineare Ausdehnungskoeff izienteneiniger für Sandstei-
ne bedeutender Minerale
I
Mineral
Quarz')
Mikroklin21
Orthoklas2)
AnorthiV
Calcit1)
Dolomit1'
Goethit1]
Harnatitl)
GlirnmeP
Kristallsystem
%3
//a
%
0133
//b
[ in 1 0 W 1 ]
//C
trfgonai
triklin
monoklin
triklin
trigonal
trigonal
rhombisch
trigonal
monoklin
a,b,c kristallographischeAch~en
') aus DREYER
(1974)
)'
berechnet aus den Angaben von CURK (1966)
berechnet ausden Anaaben von TOULOUKIAN
ET AL. (19i'i)
.
.
aus CORRENS
(1968)
"
nung als tonig gebundene Sandsteine, wie z.B. der Heilbronner Sandstein. Dies dürfte einmal mit der Zusammensetzung
der Sandsteine und damit mit den Längenausdehnungskoeffizienten der Einzelminerale (Tab. 22) zu erklären sein: Quarz
hat gegenüber anderen Mineralen, wie z.B. Feldspat, relativ
hohe a-Werte (in nichtkubischen Kristallen ist a richtungsabhängig!). Zum zweiten dürfte die Kornbindung von Bedeutung
sein: Tonpartikel, die zwischen Quarzkörnern eingelagert
sind, werden bei deren thermischen Ausdehnung sicher nicht
starr, sondern elastisch reagieren, und damit den a-Wert des
Gesamtgesteins abmindern.
Die Bestimmung von a ist insbesondere für die Temperaturverwitterung und in Zusammenhang mit dem Einsatz von
Restaurierungsmörtel bei der Sanierung von alter Bausubstanz aus Naturstein von Bedeutung.
3.5. Thermophysikalisches Verhalten
Das Gefrierenvon Wasser bzw. die Kristallisation von Salzen
im Porenraum ist an bestimmte Temperaturen gebunden. Im
ersten Fall müssen sie unterhalb von 0°C liegen, im zweiten
Fall begünstigen i.allg. höhere Temperaturen die Salzbildung,
weil dann das Porenwasser verdunstet und die Salze aus den
zurückbleibenden übersättigten Lösungen ausfallen. Die
Dynamik, mit der dieseVorgänge ablaufen, häng1u.a. von den
thermophysikalischen Eigenschaften eines Gesteins ab. Sie
bestimmen, jnwieweit und wie schnell ein Gestein in der Lage
ist, auf eine Anderung des Umweltparameters Temperatur zu
reagieren.
Das thermophysikalischeVerhaltenporöser Materialien ist ein
sehr komplexes Thema, das hier nur kurz angeschnitten
werden kann. Für eine weiterführende Betrachtung dieses
Sachgebietes in seiner Bedeutung für die Belange der Bauphysik empfiehlt sich JENISCH (1985).
Der Wärmeaustausch zwischen zwei unterschiedlich temperierten Körpern oder Medien erfolgt über Strahlung, Konvektion undWärmeleitung. DieWärmeabgabevonder Lufian das
Gestein bzw. der umgekehrteVorgang wird auch als Wärmeübergang bezeichnet (JENISCH 1985).
Die direkt von der Sonne eingestrahlte Energie beträgt
außerhalb der Atmosphäre 1,4 kW/m2(Solarkonstante). Beim
Auftreffen der die inlische Lufthülle durchdringenden Strahlung auf eine Natursteinoberfläche wird ein Teil davon absorbiert, der restlicheAnteil wird reflektiert. Je dunkler ein Gestein
ist, ein umso höherer Anteil der einfallenden Energie wird absorbiert. Die Eigenfarbe eines Natursteins steuert demnach
den Grad der Aufheizuna seiner Oberfläche. In diesem Zusammenhangsind auch die schwarz-grauen Schmutzkrusten
auf den Naturwerksteinen in unserer urbanen Atmosphäre zu
nennen, die das Absorptionsverhalten der steinoberfläche
nachhaltig beeinflussen können.
Konvektionsströmungen, die immer mit einem Stoffaustausch einhergehen, haben für Natursteinfassaden wohl nur
untergeordnete Bedeutung. Denkbar sind hier z.B. kreislaufartige Austauschvorgänge zwischen der Porenluft und der
freien Atmosphäre.
Die Wärmeleitung innerhalbvonfesten Stoffen beruht nach
SCHON (1983) auf dem Wärmetransport durch freie Elektronen undauf dem Wärmetransportdurchdie in das Kristallgitter
einqebundenen Atome, wobei letzterer bei den Silikaten fast
aus&hließlich dominiert, was die gegenüber den Metallen
schlechte Warmeleitfähiakeit der Gesteine erklärt.
Eine wichtige thermo{hysikalische Kenngröße ist die spezifische Wärmekapazität C_. Sie ist eine Materialkonstante.die
angibt, wieviel wärmeen&rgie zugeführt oder entzogen werden muß, um 1 kg eines Stoffes um 1 K zu erwärmen oder
abzukuhlen. Ihre Einheit ist J*K-'*kg-I. Je größer die spezifische Wärmekapazität C, ist, umso mehr Energie muß dem-
nach zu- oder abgeführt werden, um Temperaturänderungen Tab. 23: Spezifische Wärmekapazität C und Wärmeleitfähigkeit
R von Sandsteinen, Mineralen und ~orenhhalten
zu bewirken.
Ein anderer Stoffparameter, der den Wärmetransport charakterisiert, ist die Wärmeleitfähigkeit X.Sie drückt aus, wie gut
c~
h
die Wärmeübertragung innerhalb eines Materials erfolgt und
[kJ*kg-l*K-l]
[W*m-l*Ki]
hat die ~enennungw * ~ - I * K -Bei
~ . anisotropen toffen ist h
Gesteine:')
richtungsabhängig.
Bucher Sst.
Bei Gesteinen mit einer kleinen spezifischen WärmekapaMaulbronner Sst.
zität C, und einer großen ~ärmeleitfahi~keit
h ist demnachdie
Obernkirchener Sst
arößte Tiefenwirkuna atmosphärischer TemperaturschwanNeubrunner Sst.
kungen zu erwarten: eben' der ~ineralzus~mmensetzun~
werden die Größen C, und h ganz entscheidend von der
Minerale:2)
Porosität, von der Porengeometrie und vom Poreninhalt (Luft,
Quarz
Wasser, Eis) geprägt (SCHON 1983: 294). Der Poreninhalt Albit
Anorthit
vergrößert den Wert der spezifischen Wärmekapazität, da die
Orthoklas
spezifischen Wärmekapazitätenvon Luft, Wasser und Eis z.T.
Muscovit
deutlich höher liegen als die spezifische Wärmekapazität der
Tonminerale
umgebenden Gesteinsmatrix (Tab. 23). Die Wärmeleitfähigkeit wird bei zunehmender Porosität, wegen der schlechten
P~reninhalte:~)
Wärmeleitfähigkeit der Luft, verringert. Dichte Gesteine wie
Luft (0°C)
Granit und Marmor reagieren daher tiefgründiger auf Tempe- Wasser (0°C)
raturänderungen als z.B. ein poröser Sandstein.
Eis (0°C)
In Tab. 23 sind einige Beispiele für cp und h an Mineralen,
Poreninhalt und an einigen Sandsteinen aufgeführt. Eigene
Bestimmungen zu C, und h konnten mangels geeigneter Versuchseinrichtungen nicht angestellt werde& Die in Tab. 23 für
Sandsteine aufgeführten spezifischen Warmekapazitäts- und
Wärmeleitfähigkeitswerte lassen aber vermuten, daß beide
Parameter innerhalb dieser Gesteinsgruppe im trockenen
Zustand wenig streuen. Unterschiedliche Erwärmung und
Wärmeleitung werden bei den Sandsteinen damit hauptsächlich von der Porositat und durch den Füllungsgrad der Poren
mit Wasser bestimmt.
3.6. Zusammenfassung der Ergebnisse zur Ermittlung
der gesteinsphysikalischen Parameter
An fünf Sandsteinarten (Lindlarer Grauwacke, Lossburger
Sandstein, Seedorfer Sandstein, Heilbronner Sandstein,
Velpker Sandstein) wurde mit dem "Rüstzeug" der in der
Materialprüfung üblichen Methoden eine vielzähl gesteinsspezifischer Parameter bestimmt. Im einzelnen handelt es
sich um mineralogische und Gefügeeigenschaften (siehe
3.1 .), um porenraumbezoaene Merkmale (siehe 3.2.) sowie
um ~enngkßen,die das ~ e s t i ~ k e i tund
s - ~&formun~.&erhalten unter mechanischer, hygrischer und thermischer Beanspruchung beschreiben (siehe 3.3.. 3.4.).
')
aus SNETHLAGE (1985)
2,
aus SCHÖN (1983)
schen E-Moduls vorgestellt. Unter Einhaltung gleichbleibender Versuchsbedingungen (Temperatur, Feuchte) erhält man
damit eine Materialkonstante. die sowohl mit dem statisch
bestimmten E-Modul als auch mit der Biegezugfestigkeit sehr
aut
., korreliert. Die beiden letztaenanntenGrößenwurden dabei
an Gesteinsscheiben mit einer noch wenig verbreiteten Meßmethode nach WllTMANN & PRIM (1983) ermittelt. Mit dem
GRINDOSONIC-Gerät steht ein ideales Instrument zur fruhzeitigen Aufspürung von Gefügeveränderungen im Zuge von
Vetwitterungssimulationsversuchen zur Verfügung.
Die zur hygrischen und thermischen Längenänderungdurchgeführten Untersuchungen bestätigen im wesentlichen die
Ergebnisse von SCHUH (1987). So Iäßt sich bei der hygrischen Dehnung eine direkte Abhängigkeit des Quellbetrages
vom Anteil der im Sandstein enthaltenen Tonminerale beobachten. Bei der thermischen Längenänderungvermindern die
Tonminerale in den tonhaltigen Sandsteinen im Vergleich zu
reinen Quarzsandsteinen dagegen den thermischen Längenänderungskoeffizientena. Den gegenteiligen Effekt bewirkt im
Porenraum eingelagerte Feuchte, die den thermischen Längenänderungskoeffizienten a erhöht.
Überlegungen zum thermophysikalischen Verhalten (siehe
Mit dem GRINDOSONIC-Verfahren wird eine - in ihrer Anwendung für Natursteine - neue, einfach zu handhabende
Methode zur zerstörungsfreien Bestimmung des dynami-
Münchner Geowiss. Abh. (B) S
3.5.) zeigen, daß das Ausmaß der Erwärmung und der Wär-
meleitung bei Sandsteinen hauptsächlich von deren Porosität
und von deren Sattigung mit Wasser abhängt.