Prüftechnischer Nachweis von Sonnenbrand an einem Basalt der
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16. Tagung für Ingenieurgeologie und Forum „Junge Ingenieurgeologen“ Bochum 2007 Prüftechnischer Nachweis von Sonnenbrand an einem Basalt der Oberpfalz Petrophysical properties of sunburn basalt from the Upper Palatinate in north-eastern Bavaria Weiher, B. 1 , Lehrberger. G. 2 & Thuro, K. 3 Zusammenfassung Der Nachweis von Sonnenbrand an Basalten erfolgt in der Regel optisch durch die Identifizierung von Flecken und Rissen. An einem Nephelin- und Analcim-führenden Basanit der nördlichen Oberpfalz wurde versucht, Körnungen und Prüfkörper hinsichtlich der Sonnenbrandgefährdung zu analysieren. Schlag- und Kochversuche in Verbindung mit optischer Beurteilung wurden herangezogen, um die Sonnenbrandgefährdung der Körnung einzuschätzen. Die Testergebnisse bestätigten im Wesentlichen die jeweils an der Oberfläche festgestellte Sonnenbrandkategorie. An Prüfkörpern mit unterschiedlich starkem Sonnenbrandbefall wurde die einaxiale Druckfestigkeit und die Schallgeschwindigkeit (P-Wellen) ermittelt. Der Basanit zeigt sprödes Verhalten bei starker Streuung (Druckfestigkeit 130 bis 320 MPa). Die Gefügeauflockerung in Form von Rissen ist bei wenig bis mittelstark betroffenen Sonnenbrennern kaum relevant für die Druckfestigkeit; Klüftung und Inhomogenitäten des Gesteins beeinflussen das Versagen des Prüfkörpers weit mehr. Korrelierbar waren Schallgeschwindigkeit und Rohdichte. Stark von Sonnenbrand befallene Proben zeigen niedrige Schallgeschwindigkeiten und niedrige Dichtewerte. „Gesunde“ Basalte zeigen dagegen hohe Schallgeschwindigkeiten und hohe Rohdichten. Schlüsselworte: Sonnenbrand, Basalt, Prüftechnischer Nachweis Abstract The evidence of sunburn in basaltic rocks works best by identification of white or grey spots and cracks on the rock surface. Aggregates and cylindrical test bodies of a nepheline and analcime bearing basanite of the northern Upper Palatinate were analysed to try quantification of sunburn intensity. The results verified more or less the surface observations concerning sunburn criteria. Fresh aggregates underwent a 36 hour boiling test and an impact strength test in order to quantify the intensity of sunburn. Testing of the cylinders, which showed different grades of sunburn, included unconfined compressive strength test and ultrasonic measuring method (p-waves). The boiling test on 4/5mm and 5/8mm aggregates provides relatively poor data concerning the prediction of sunburn. The results of the impact test on 5/8 aggregates also shows little correlation with the sunburn intensity identified by surface observation. Nevertheless, these testing methods provide tendencies. Responsible for the impracticality of boiling test and impact test in this case is the ‘critical grain size’. The critical grain size is defined by the distance between sunburn spots and to the size of the crack network. Disintegration of sunburn basalts usually stops, when the particles are not bigger than the spot distances any longer. The aggregate sizes used in this test series were too small to show the sunburn disintegration in an applicable way. Good correlation is achieved between sonic velocities, density and sunburn intensity. High grade sunburn basalts generally show low velocities und low densities due to the breaking-up of the structure. Sunburn-free rocks achieve maximum sonic velocities and high densities. Key words: basaltic sunburn, basalt, measurement methods 1 Einleitung Basalte sind i.d.R. harte, zähe und verwitterungsresistente Gesteine und folglich sehr gut geeignet zur Herstellung von Gesteinskörnungen für den Verkehrswegebau. Als technisches Problem für die Natursteinindustrie erweist 1 sich eine bestimmte Form der Verwitterung, die als ‚Sonnenbrand’ bezeichnet wird (LORENZ & GWOSDZ 2000, MURAWSKI & MEYER 1998). Ursprünglich war der Begriff ein Ausdruck der Steinbrecher. Dieser ist im deutschsprachigen Raum in die Fachsprache übernommen worden. Charakteristisch sind weiße bis graue Fle- Dipl.-Geol. Bernd Weiher, Basalt-Actien-Gesellschaft BAG, Hartsteinwerke Bayern-Thüringen, Werkstraße 1, 07570 Steinsdorf-Loitsch, [email protected] 2 Dr. Gerhard Lehrberger, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie der TU München, Arcisstraße 21, 80333 München, [email protected] 3 Prof. Dr. Kurosch Thuro, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie der TU München, Arcisstraße 21, 80333 München, [email protected] 16. Tagung für Ingenieurgeologie und Forum „Junge Ingenieurgeologen“ cken, die bei ungünstiger Verteilung zu Rissbildung und schließlich zum Zerfall des Gesteins führen können (ERNST & DRESCHER-KADEN 1940). WURM (1961) spricht von einer „eigentümliche[n], gewissermaßen pathologische[n] Zersetzungserscheinung, die sich technisch so unangenehm bemerkbar macht“. Im Frühstadium des Sonnenbrands zeigen sich erste, meist isometrische dreidimensionale Flecken mit weißer bis grauer Farbe, deren Durchmesser 0,1 bis 20 mm beträgt. Mit zunehmendem Befall entwickeln sich zunächst Haarrisse und schließlich sichtbare Risse zwischen den Flecken (Abb. 1). Im Endstadium bricht das Gestein völlig auseinander, so dass nur noch ein Basaltgrus aus kleinen Bruchstücken im mm- und cm-Bereich bleibt (ZAGOZDZON 2003). Ein vom Sonnenbrand befallener Basalt wird als ‚Sonnenbrenner’ oder ‚Sonnenbrennerbasalt’ bezeichnet. Im englischen spricht man von ‚sunburn basalt’ bzw. ‚basaltic sunburn’. Die Ursache des Auftretens von Sonnenbrand wurde in der Literatur kontrovers diskutiert (HIBSCH 1920, RICHARZ 1921, HOPPE 1935, HIBSCH 1938, PUKALL 1939, ERNST & DRESCHER-KADEN 1940, PUKALL 1940, SCHREIBER 1990, KÜHNEL et al. 1994). Eine allgemein anerkannte Theorie existiert allerdings bis heute nicht. Sonnenbrenner zeigen sich fast ausschließlich in basischen Basalten und sind gebunden an die Existenz von Nephelin, Analcim und/oder Gesteinsglas. An Basalt eines Sonnenbrand-führenden Steinbruchs in der nördlichen Oberpfalz wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt, um Sonnenbrand nachzuweisen und den Befall ansatzweise zu quantifizieren. Bochum 2007 in der Nachbarschaft herangezogen. Tab. 1: Klassifizierung des Grads des Sonnenbrandbefalls Tab. 1: Classification of the intensity of sunburn Sonnenbrandbefall sehr hoch hoch mittel niedrig Kennzeichen deutliche Flecken- und Rissbildung stark körnige Oberfläche, angedeutete Fleckenbildung leicht körnige Oberfläche keine Sonnenbrandmerkmale, muschelige Bruchfläche 2.2 Untersuchungen zu Petrographie und Geochemie Am Beginn der Laboruntersuchungen standen mikroskopische Arbeiten. Die petrographischen Eigenschaften des Gesteins sollten erste Anhaltspunkte geben, ob ein Sonnenbrandpotential vorliegt. So erkennt man im Dünnschliff bei ausgebildeten Sonnenbrennern zwar nicht unbedingt die Flecken, wohl aber Risse. Entscheidender sind allerdings Mineralbestand und Gefüge. So neigen „basische“ Basalte mit dichtem Gefüge und Glasanteil eher zum Sonnenbrand als „saure“ Basalte und „basische“ Basalte mit körnigem, doleritischen Charakter (STÜTZEL 1935). Ergänzend zu den Dünnschliffuntersuchungen wurden Röntgenfluoreszenzanalysen (RFA) durchgeführt, um eine eindeutige Klassifizierung des Gesteins zu ermöglichen. Zum Nachweis von Analcim wurden röntgendiffraktometrische Analysen (XRD) durchgeführt. 2.3 Gesteinstechnische Untersuchungen an den Prüfkörnungen Abb. 1: Rissnetz an einem von Sonnenbrand befallenen Basalt (Probe geschnitten und befeuchtet, Bildbreite ca. 15 cm). Fig. 1: Crack network on a sunburn basalt (sample cut and moisturised, picture approx. 15 cm wide). 2 Untersuchungsmethoden 2.1 Proben Als Proben dienten Blöcke aus den Abbauwänden mit unterschiedlichem Grad von Sonnenbrandbefall. Dieser wurde optisch durch die Ausbildung der Sonnenbrandmerkmale klassifiziert (Tab. 1). Weiter standen Proben aus Erkundungsbohrungen (drehschlagend, ungekernt, Endteufe 50 m) zur Verfügung. Aus dem gewonnenen Bohrklein wurden durch Siebung Prüfkörnungen von 4 bis 5 mm (4/5) und von 5 bis 8 mm (5/8) erstellt. Als Vergleich wurden für einige Versuche entsprechende Prüfkörnungen eines Sonnenbrand-freien Vorkommens Den Schwerpunkt der Arbeiten bilden gesteinsphysikalische Untersuchungen. Mit ihrer Hilfe soll Sonnenbrand erkannt und quantifiziert werden. Von großer Bedeutung für die Natursteinindustrie ist der Widerstand gegen Verwitterung. Verbreitete Kennwerte liefern Wasseraufnahme und Frost-Tau-Wechsel-Versuch (mit Wasser oder mit Taumitteln). Bei Basalten kommt der Kochversuch zum Einsatz, um die Raumbeständigkeit des Gesteins, insbesondere bei Verdacht auf Sonnenbrand, zu prüfen. In der vorliegenden Arbeit wurde auf Wasseraufnahme- und Frost-Tau-Wechsel-Versuche verzichtet und das Hauptaugenmerk auf Kochversuche gelegt. Die Deutsche Norm DIN EN 1367-3 (2001, 2004) sieht dafür 36-stündiges Kochen von Gesteinskörnungen oder Basalt-Prüfstücken in destilliertem Wasser vor (Abb. 2). Bei Prüfkörpern liegt Sonnenbrand demnach dann vor, wenn sich Flecken und Risse entwickeln. Eine Quantifizierung ist nicht vorgesehen. Bei Gesteinskörnungen erfolgt die Quantifizierung zum einen über die Ermittlung des Massenverlustes durch Abplatzungen und zum anderen in Kombination mit dem Schlagversuch über die Festigkeitsabnahme einer gekochten gegenüber einer ungekochten Probekörnung. Deshalb wurden in Kombination zu den Kochversuchen umfassende Schlagversuche an den Gesteinskörnungen durchgeführt (Abb. 3). Für die vorliegende Arbeit wurden 30 Proben (A1 bis A30) der 4/5-Körnung einem 36-stündigen Kochversuch unterzo- 16. Tagung für Ingenieurgeologie und Forum „Junge Ingenieurgeologen“ gen. Wegen des begrenzten Prüfmaterials der 5/8Körnung wurden die ursprünglich 30 Proben für den Schlagversuch in 13 sinnvolle Chargen zusammengefasst. Die Hälfte jeder dieser Chargen wurde einem Schlagversuch unterzogen. Die zweite Hälfte wurde zunächst gekocht, ehe sie ebenfalls der Schlagprüfung unterzogen wurde. Der Schlagversuch an Splitt wird nach DIN EN 1097-2 (1998) an der Körnung 8/12,5 mm durchgeführt (SZ8/12). Das Fallgewicht (50 kg) schlägt dabei zehnmal aus einer Höhe von 37 cm auf die Probe ein. Aufgrund fehlenden Probenmaterials im Bereich 8,012,5 mm, führte man die Untersuchungen am 5/8-Korn durch und reduzierte die Fallhöhe auf 29,6 cm. Wasserablauf Kühldeckel Wasserzulauf Kühldeckel wassergekühlter Deckel Wasserbehälter aus Glas (5 l) Wasserspiegel (bei ca. 3 l) Probenbehälter mit Siebboden Probe Führungseinrichtung Heizplatte Steuerung Heizplatte Abb. 2: Apparatur für die Durchführung des Kochversuchs an Gesteinskörnungen nach DIN EN 1367-3. Fig. 2: Boiling test equipment according to DIN EN 1367-3. Bochum 2007 Einstufung von Basalten hinsichtlich ihres Sonnenbrandbefalls zu verifizieren und, wenn möglich, zu quantifizieren. Der einaxiale Druckversuch wurde nach den Empfehlungen der DGEG (1979) und ISRM (1972, 1978a) durchgeführt. Die einaxiale Druckfestigkeit (UCS = Unconfined Compressive Strength) ist ein Maß für die Bruchspannung eines einachsig mit Druckkräften belasteten Körpers. Der Prüfkörper wird so lange mit stetig steigendem Druck belastet, bis das Material versagt und es zum Bruch kommt. Im vorliegenden Fall wurde die Druckfestigkeit mit dem einaxialen Druckversuch ermittelt. Dabei wurde die Last über zwei Platten flächig auf die Endflächen der insgesamt 15 zylindrischen Prüfkörper aufgebracht. Die Prüfzylinder wiesen ein Verhältnis von Länge (ca. 16 cm) zu Durchmesser (ca. 8 cm) von 2:1 auf. Im Zuge der Druckversuche wurden die luftgetrockneten Proben geometrisch vermessen und gewogen, so dass man auf die Dichte des Materials schließen konnte. Ultraschallmessungen geben indirekt Hinweise auf die Qualität eines Gesteins. Je höher die Schallgeschwindigkeiten, desto weniger Grenzflächen (Korngrenzen, Risse, Poren, Störungen im Kristallgitter etc.) finden sich in der Regel im Gestein. An Grenzflächen werden die Schallwellen reflektiert und gebrochen. Dadurch verlängert sich der Weg zwischen Ultraschallgeber und -empfänger. Folglich erhöht sich die Laufzeit der Wellen und es kommt zu niedrigeren Schallgeschwindigkeiten. Ultraschallmessungen können dazu beitragen, solche Grenzflächen zu quantifizieren, d.h. eine Auflockerung des Korngefüges (z.B. durch Sonnenbrandzerfall) wird zu einer deutlichen Herabsetzung der Schallgeschwindigkeit führen. An allen 15 Prüfkörpern für den Druckversuch wurden im Vorfeld neun Ultraschallmessungen durchgeführt (Abb. 4). Schlagschaft 80 mm Schlagkopf 3 1 2 Stempel 90° Probe 4,5,6 Mörser 7,8,9 3 1 2 4 7 5 8 6 9 160 mm Amboss Schwingelemente Grundplatte Abb. 3: Standardschlaggerät gemäß TP Min-StB (1982) nach JOHANNKNECHT (1976). Fig. 3: Standard impact machine according to TP MinStB (1982) and JOHANNKNECHT (1976). 2.4 Gesteinstechnische Untersuchungen an Prüfkörpern den Zusätzlich zu den Prüfungen am 5/8-Korn wurden Druckversuche und Ultraschallmessungen an Probenzylindern durchgeführt. Ziel dieser beiden Versuchsreihen war, die per Augenscheinnahme vorgenommene Abb. 4: Position der Messansatzpunkte an den Prüfzylindern für die Ultraschallmessungen. Fig. 4: Position of the measuring points at the samples for the ultrasonic tests. 16. Tagung für Ingenieurgeologie und Forum „Junge Ingenieurgeologen“ 3 Ergebnisse 3.1 Petrographie und Geochemie Mit Hilfe der Dünnschliffmikroskopie kann eine petrographische Kurzcharakteristik des vorliegenden basaltischen Gesteins vorgenommen werden (Tab. 2). In einer fein- bis feinstkörnigen Grundmasse aus Augit, Nephelin, Analcim, opaken Mineralen und akzessorischen Bestandteilen finden sich Einsprenglinge von (Titan-) Augit und Olivin. Letzterer zeigt eine randliche bis teils vollständige Umwandlung in Zersetzungsprodukte, z.B. Goethit, Smektit (Iddingsitisierung). Aufgrund der nur schwer aufzulösenden Grundmasse wurde auf eine quantitative Auswertung der Dünnschliffe verzichtet. Tab. 2: Mineralbestand des Untersuchungsmaterials Tab. 2: Minerals found in thin sections of basalt samples Hauptgemengteile Nebengemengteile Akzessorien Gefüge Mineral (Klino-) Pyroxen Formel (Ca, Mg, Fe2+, Ti, Al)2 (Si, Al)2O6 Olivin Leucit (Mg, Fe)2 SiO4 K [AlSi2O6] Analcim NaAlSi2O6 x H2O Nephelin Na3K [AlSiO4] Magnetit Fe3O4 (Opake) Plagioklas, vulkanisches Glas, Calcit, Apatit, Zeolith, Biotit, Plagioklas etc. feinkörnige bis glasige Grundmasse mit Einsprenglingen aus (v.a.) Olivin und Pyroxen, Regelung nicht erkennbar, Matrix aus (v.a.) Pyroxen, Feldspatvertretern, Analcim, Opaken und untergeordnet Plagioklas, in SonnenbrennerProben mit Rissbildung Tab. 3: Durchschnittliche chemische Zusammensetzung des Untersuchungsmaterials (M.-%) Tab. 3: Average chemical composition of the basalt (W.%) SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 Glühverlust Summe 41,44 2,48 11,49 5,42 8,13 0,20 12,76 11,90 2,85 0,91 0,91 1,46 99,95 An insgesamt acht Proben wurden chemische Analysen (RFA) durchgeführt, um Aufschluss über die Zusammensetzung zu bekommen. Neben den Hauptelementoxiden wurden die Proben auch auf Spurenelemente sowie ihren Glühverlust untersucht (Tab. 3). Das ultrabasische Gestein kann aufgrund seiner geochemischen Zusammensetzung als Basanit im Sinne von LEMAITRE (1984) klassifiziert werden. Die röntgendiffraktometrischen Analy- Bochum 2007 sen erbrachten den Nachweis von u.a. Diopsid, Augit, Olivin (Forsterit), Nephelin, Analcim, Albit und Fluorapatit. Tab. 4: CIPW-Norm des Untersuchungsmaterials (%) Tab. 4: CIPW-norm of the basalt (%) Quarz Orthoklas Albit Anorthit Nephelin Diopsid Hypersthen Olivin Magnetit Ilmenit Apatit Summe 0,00 5,38 5,40 15,87 10,14 29,61 0,00 17,47 7,86 4,71 2,11 98,54 3.2 Kochversuch Die prozentualen Massenverluste der Kochversuche an 4/5- und 5/8-Körnungen sind in Abbildung 5 zusammengefasst. Der durchschnittliche Massenverlust der 4/5Körnungen beträgt 1,21 % (max. 3,17 %, min. 0,30 %). Die 5/8-Körnungen weisen einen durchschnittlichen Massenverlust von 1,35 % (max. 2,78 %, min. 0,26 %) auf. Entsprechend der TL Min-StB 2000 ist 1,0 % Materialverlust maximal zulässig. 3.2 Schlagversuch Der durchschnittliche Schlagzertrümmerungswert SZ5/8 der Proben liegt bei 9,56 M.-% (Abb. 6). Der beste Wert ist 8,34 M.-%, der ungünstigste erreicht 10,60 M.-%. Die Streuung beträgt damit 2,26 M.-%. Am Vergleichsvorkommen (B1 bis B4) weisen die ungekochten Basaltproben einen besseren Wert mit durchschnittlich 8,99 M.-% auf (max. 9,27 M.-%, min. 8,73 M.-%. Die Werte von beiden Steinbrüchen liegen im untersten Bereich der von der TL Min-StB (2000) angegebenen Spanne von Erfahrungswerten für die Widerstandsfähigkeit von Basaltsplitt gegen Schlagzertrümmerung (SZ8/12 = 9-20 M.-%). Der Kochversuch wirkt sich im vorliegenden Fall positiv auf die Schlagwerte aus. So verbessern sich die Proben durchschnittlich um 0,10 M.-% auf 9,46 M.-% (max. 10,39 M.-%, min. 8,68 M.-%), die Vergleichsproben gar um 0,19 M.-% auf 8,80 M.-% (max. 9,18 M.-%, min. 8,45 M.-%). Alle getesteten Proben entsprechen damit den Forderungen der TL Min-StB (2000), die für Schotter und Splitt Δ SZ8/12 (bzw. SD10) ≤ 5 M.-% und für Edelsplitt Δ SZ8/12 (bzw. SD10) ≤ 3 M.-% zulässt. Als interessant für die Beurteilung der Raumbeständigkeit erweist sich die prozentuale Veränderung der Schlagzertrümmerungswerte vor und nach dem Kochvorgang. Hierbei ergibt sich ein etwas anderes Bild als bei der Einschätzung des absoluten SZ5/8-Wertes. Während sich die Schlagzahlen der Vergleichskörnungen B1 bis B4 durchgehend verbesserten, nahm die Schlagfestigkeit bei einzelnen A-Proben erkennbar ab (relative Erhöhung von SZ5/8 um bis zu 10 %). 16. Tagung für Ingenieurgeologie und Forum „Junge Ingenieurgeologen“ 4/5 Körnung Bochum 2007 große Streuung der Werte (max. 339,9 MPa, min. 103,5 MPa.). 4/5 Körnung 4/5 Körnung Abb. 6: Schlagzertrümmerungswert SZ5/8 der Prüfkörnungen [M.-%] vor (1. Spalte) und nach dem 36stündigen Kochversuch in entmineralisiertem Wasser (2. Spalte). Die Farben kennzeichnen den Sonnenbrandbefall an der Oberfläche gemäß Tab. 1. Fig. 6: Impact strength of the aggregates [W.-%] before (1st column) and after the 36 hour boiling test in demineralised water (2nd column). The colours indicate the intensity of sunburn shown in tab. 1. 5/8 Körnung (Mischprobe) Abb. 5: Massenverlust der Prüfkörnungen [M.-%] nach dem 36-stündigen Kochversuch in entmineralisiertem Wasser. Die Farben kennzeichnen den Sonnenbrandbefall an der Oberfläche gemäß Tab. 1. Fig. 5: Mass loss of the aggregates [W.-%] after the 36hour boiling-test in demineralised water. The colours indicate the intensity of sunburn shown in tab. 1. 3.3 Einaxialer Druckversuch Die Basaltproben erreichen teils extrem hohe Werte für die einaxiale Druckfestigkeit (Abb. 7). Der Durchschnittswert aller Proben ist mit 252,8 MPa nach ISRM (1978b) als extrem hoch einzustufen. Das Mittel liegt damit innerhalb der Erfahrungswerte von 250 bis 400 MPa bzw. über 200 MPa (THURO et al. 2000, HUTSCHENREUTHER & WÖRNER 1998). Auffallend ist die Abb. 7: Einaxiale Druckfestigkeit der Prüfzylinder [MPa]. Die Farben kennzeichnen den Sonnenbrandbefall gemäß Tab. 1. Fig. 7: Unconfined compressive strength of the test cylinders [MPa]. The colours indicate the intensity of sunburn shown in tab. 1. 3.4 Ultraschallmessungen Die gemessenen Schallgeschwindigkeiten zeigen eine Übereinstimmung mit der Beurteilung der Sonnenbrandgefährdung nach makroskopischer Betrachtung (Abb. 8, Tab. 1). Basalte ohne Anzeichen von Sonnenbrand (Z1 bis Z5) zeigten im Durchschnitt die größten Schallgeschwindigkeiten von bis ca. 6500 m/s. Mit zunehmendem Sonnenbrandbefall zeigten die Proben ge- 16. Tagung für Ingenieurgeologie und Forum „Junge Ingenieurgeologen“ Bochum 2007 ringere Schallgeschwindigkeiten. Während die Werte bei mittlerem Befall nur in begrenztem Umfang abnahmen, zeigte sich ein deutliches Absacken der Schallgeschwindigkeiten bei hoher und sehr hoher Sonnenbrandintensität. Abb. 9: Rohdichte der Prüfzylinder [g/cm³]. Die Farben kennzeichnen den Sonnenbrandbefall gemäß Tab. 1. Fig. 9: Density of the test cylinders [g/cm³]. The colours indicate the intensity of sunburn shown in tab. 1. 4 Interpretation der Ergebnisse 4.1 Deutung der Prüfergebnisse Die Mikroskopie des untersuchten Gesteins erbrachte den Nachweis von Nephelin, Analcim und Gesteinsglas bei einem mikrokristallin-porphyrischen Gefüge. Mit Hilfe der RFA-Untersuchung kann das Gestein als Basanit klassifiziert werden. Die XRD-Analyse bestätigte u.a. die Existenz von Nephelin und Analcim. Somit sind mit Hilfe der petrographisch-geochemischen Untersuchungsmethoden typische Merkmale von Sonnenbrennerbasalten festgestellt worden, wenngleich deren Existenz nicht zwingend zum Zerfall durch Sonnenbrand führen muss. Abb. 8: Schallgeschwindigkeit der Prüfzylinder [m/s]. Die Farben kennzeichnen den Sonnenbrandbefall gemäß Tab. 1. Fig. 8: Sonic velocity of the test cylinders [m/s]. The colours indicate the intensity of sunburn shown in tab. 1. 3.5 Rohdichte Die Ermittlung der Rohdichte des untersuchten Basalts wurde auf verschiedene Weise durchgeführt. Neben Tauchwägungen konnten auch Abmessungen von Zylindern, die für den einaxialen Druckversuch vorbereitet wurden, zur Dichtebestimmung herangezogen werden (Abb. 9). Die Tauchwägung wurde bei insgesamt sechs Prüfkörpern durchgeführt. Dabei entfielen jeweils drei Versuche auf eine schwach von Sonnenbrand befallene Probe und auf eine stark „verbrannte“ Probe. Die Werte lagen bei durchschnittlich 3,06 g/cm³ für die Sonnenbrennerprobe und 3,12 g/cm³ für die „gesunde“ Probe. Die aufgrund der Zylinderabmessungen errechnete Dichte des Gesteins liegt bei durchschnittlich 3,09 g/cm³ (max. 3,12 g/cm³, min. 3,06 g/cm³). Die niedrigsten Werte von ca. 3,06 g/cm³ zeigen die mittel bis stark von Sonnenbrand betroffenen Proben Z8, Z10 und Z11. Die höchsten Werte lagen bei 3,10 g/cm³ und 3,12 g/cm³. Sie gehören zu den sonnenbrandfreien Proben Z1 bis Z5. Die Massenverluste bei den Kochversuchen sind insgesamt als sehr hoch zu werten, wenn man den Grenzwert von 1,0 M.-% der TL Min-StB 2000 zugrunde legt. Gleichzeitig war ein weiter Schwankungsbereich zwischen unter 0,3 und über 3,2 M.-% festzustellen. Versucht man eine Korrelation mit dem Sonnenbrandbefall in der entsprechenden Steinbruchsecke herzustellen, so gelingt dies nur bedingt. Tendenziell zeigen stark befallene Sonnenbrenner-Proben höhere Absplitterungen. Die Unterschiede zwischen nicht befallenen Proben und mittelstark befallenen Proben sind demgegenüber allerdings nicht signifikant. Weiter bleibt anzumerken, dass intakte Basalte durchaus bis zu 1,5 % an Masse verlieren und Sonnenbrenner z.T. „nur“ ca. 0,6 M.-% absplittern. Aufgrund der genannten Unsicherheiten dürften erst Werte über 1,5 M.-% einen Sonnenbrandbefall nachzeichnen. Der etwas erhöhte mittlere Massenverlust der 5/8Körnung im Vergleich zur 4/5-Körnung könnte auf die ‚kritische Korngröße’ zurückzuführen sein. Sie bezeichnet die Korngröße der Bruchstücke, die beim Sonnenbrandzerfall entstehen. Diese Korngröße ist letztlich durch die Maschenweite des Rissnetzwerkes bzw. den Abstand der Flecken vorgezeichnet und beträgt im untersuchten Vorkommen zwischen 3 und 5 mm. Die 5/8Körnung liegt demnach deutlich darüber und unterliegt dadurch etwas mehr dem Zerfall als die 4/5-Körnung. Die Schlagzertrümmerungswerte SZ5/8 sind generell als zu niedrig (zu gut) einzustufen. Der Schlagzertrümmerungswert am 8/12-Korn liegt im Mittel bei 12,4 M.-% und damit um ca. 1,8 M.-% höher. Bei den Vergleichsproben beträgt SZ8/12 12,1 M.-%, was einem Un- 16. Tagung für Ingenieurgeologie und Forum „Junge Ingenieurgeologen“ terschied zum SZ5/8 von 2,1 M.-% entspricht. Diese Unterschiede können wohl auf die im Vergleich zu DIN EN 1097-2 veränderte Versuchsdurchführung zurückzuführen sein (reduzierte Fallhöhe, veränderte Körnung). Innerhalb der Versuchsreihe zeigt sich sowohl bei den unbehandelten Proben als auch bei den gekochten Chargen ein homogenes Bild der Schlagwerte mit geringen Schwankungen. Eine Korrelation mit dem festgestellten Sonnenbrandbefall scheint kaum möglich. Ansatzweise kann von einer Verschlechterung des Schlagzertrümmerungswertes gesprochen werden. Die Beträge erweisen sich allerdings in jedem Fall als zu gering, um gewissen Proben allein auf dieses Verhalten hin Sonnenbrand zu attestieren. Ursächlich hierfür dürfte erneut die Wahl von Prüfkörnungen sein, die ähnliche Korngrößen aufweisen wie die festgestellte kritische Korngröße. An den sonnenbrandfreien Vergleichsproben zeigte sich, dass der Kochversuch zu besseren Werten beim darauf folgenden Schlagversuch führt. Ursächlich hierfür dürfte die Wegführung von leicht abplatzbaren Bestandteilen, z.B. an Kanten oder durch Verwitterung geschwächte Partien, durch den Kochversuch sein. Diese Absplitterungen werden dadurch dem Schlagversuch entzogen und gehen nicht in die Massenbilanz ein. Bochum 2007 schwindigkeiten im Zuge des weiteren Zerfalls ist auf die Entwicklung von Trennflächen im Gestein zurückzuführen (Flecken- und Rissbildung). Die vermuteten chemischen Prozesse scheinen nahezu abgeschlossen zu sein. Die Rohdichte des Basalts nimmt nur noch unwesentlich ab. Es bleibt anzumerken, dass nur 15 Basaltproben im Diagramm dargestellt sind. Diese entsprechen den verwendeten Proben für die UCS-Bestimmung. Trotz der geringen Probenzahl liefert das SchallgeschwindigkeitsRohdichte-Diagramm (Abb. 10) einen Ansatz für den Nachweis und für die Interpretation von Sonnenbrand. Die Trendlinie kann im oberen Teil durch eine ausreichende Zahl von Daten gut bestimmt werden. Im unteren Teil ist mangels Daten im „Sonnenbrand-Bereich“ eine Veränderung bzw. Verschiebung der Kurve möglich. Die einaxialen Druckfestigkeiten zeigen eine sehr starke Streuung. Eine quantitative Korrelation mit Sonnenbrandmerkmalen ist kaum möglich. Es bleibt festzustellen, dass stark sonnenbrandbesetzte Prüfkörper maximal ca. 68 % des Maximalwertes (339,9 MPa) erreichen und somit gegenüber intakten bzw. mäßig befallenen Proben abfallen. Die Ergebnisse der Ultraschalluntersuchungen zeigen eine deutliche Beziehung zu den Sonnenbrandmerkmalen. Die im frischen Gestein sehr hohen Schallgeschwindigkeiten nehmen mit zunehmender Sonnenbrandintensität ab und weisen damit auf die Gefügeauflockerung durch die Rissbildung hin. Die ermittelten Rohdichten des untersuchten Basalts sind mit stets über 3 g/cm³ als sehr hoch einzuschätzen. Die Schwankungen sind relativ klein. Trotz der kleinen Unterschiede zeigt sich eine deutliche Korrelation zu den Sonnenbrandintensitäten. Befallene Basalte zeigen niedrigere Dichten als gesunde Basalte. Die Beziehung zwischen den bei der Ultraschallmessung erzielten Schallgeschwindigkeit und der aus den Prüfzylindern errechneten Rohdichte veranschaulicht die verschiedenen (optisch definierten) Stadien des Sonnenbrands (Abb. 10). Dabei wird deutlich, dass die Rohdichte beim einsetzenden Sonnenbrand (grüne Punkte → gelbe Punkte) relativ zügig abnimmt. Im weiteren Verlauf wird der Sonnenbrandbefall durch Flecken- und Rissbildung vor allem durch die Abnahme der Schallgeschwindigkeit dokumentiert (gelbe Punkte → orangefarbene Punkte). Aufgrund der Beziehung zwischen Schallgeschwindigkeit, Rohdichte und optischer Beurteilung lassen sich Aussagen zur Wirkungsweise des Sonnenbrandzerfalls machen. Die starke Abnahme der Rohdichte ist wohl durch chemische Vorgänge (evtl. Hydratation von Mineralen) im Basalt zu erklären. Das Gefüge des Gesteins bleibt aber relativ intakt (hohe Schallgeschwindigkeiten). Die folgende starke Abnahme der Schallge- Abb. 10: Diagramm Rohdichte [g/cm3] – Schallgeschwindigkeit [m/s] der Prüfzylinder. Die Farben kennzeichnen den Sonnenbrandbefall gemäß Tab. 1. Fig. 10: Diagram density [g/cm³] – sonic velocity [m/s] of the test cylinders. The colours indicate the intensity of sunburn shown in tab. 1. 4.2 Aussagekraft der verwendeten Prüfmethoden Die Mikroskopie von Dünnschliffpräparaten lieferte Erkenntnisse zum modalen Mineralbestand des Gesteins. Unter Umständen können die Minerale Nephelin und Analcim nachgewiesen werden, die an der Entstehung von Sonnenbrand beteiligt sind. Vereinzelt können die Sonnenbrandflecken im mikroskopischen Durchlicht erkannt werden. Im vorliegenden Fall zeigte allerdings keines der Präparate mikroskopisch identifizierbare Fleckenbildung. Risse waren allerdings sehr wohl im Durchlicht zu erkennen. Zusammenfassend kann man aussagen, dass die Mikroskopie allein nicht ausreicht, um definitive Aussagen über das Vorkommen von Sonnenbrand in den untersuchten Basalten zu treffen. Um ein komplettes Steinbruchsareal auf die Sonnenbrandgefährdung hin zu beurteilen, sind Dünnschliffuntersuchungen aufgrund der punktuellen Repräsentation ungeeignet. Die röntgenographischen Untersuchungen (RFA, XRD) liefern keine eindeutigen Beweise für die Existenz von 16. Tagung für Ingenieurgeologie und Forum „Junge Ingenieurgeologen“ Sonnenbrand in Basalten. Der Chemismus (RFA) zeigt zwar, ob es sich bei dem Gestein um potentiellen Sonnenbrennerbasalt handelt, ob der Befall allerdings tatsächlich eintritt, kann nicht geklärt werden. Die Röntgendiffraktometrie erbrachte den Nachweis von Nephelin und Analcim im Basalt des Hirschentanzes und liefert damit eine Grundvoraussetzung für das Entstehen von Sonnenbrand. Die Existenz dieser Mineralien führt jedoch nicht zwingend zum Sonnenbrandbefall. Kochversuche an Gesteinskörnungen besitzen im vorliegenden Fall den Vorteil, dass sie repräsentativ sind. Über den gesamten Steinbruch hinweg war Probenmaterial bis in Tiefen von 50 m vorhanden. Als Nachteil stellte sich die schon angesprochene Annäherung an die kritische Korngröße heraus. Bei Körnungen, die unterhalb der vom Sonnenbrandrissnetz begünstigten Zerfallskorngrößen liegen, finden durch den Kochvorgang kaum mehr zusätzliche Abplatzungen statt, da die Körper in sich stabil sind. Dadurch werden die Werte mit zunehmender Kornverfeinerung besser. In deutlich unterhalb der kritischen Korngröße liegenden Korngrößen impliziert der Kochversuch an Basaltkörnungen ein besseres Prüfverhalten als es gröbere Körnungen vermögen. Schlagversuche wurden an definierten Körnungen sowohl in ungekochtem als auch gekochtem Zustand durchgeführt. Von Bedeutung für die Bewertung war dabei mehr der prozentuale Unterschied zwischen den beiden Versuchsreihen als die absoluten Werte, die als zu gut eingestuft wurden. Aufgrund der Tatsache, dass Mischproben verwendet wurden, war nicht von sehr großen Unterschieden in den Ergebnissen auszugehen. Zum Beispiel sind von einer 50 m hohen Basaltsäule unter Umständen nur 5 m von Sonnenbrand befallen. Dadurch, dass sehr konstante Versuchbedingungen herrschten (Probevorbereitung, Versuchsdurchführung), können geringe Unterschiede als Tendenzen gewertet werden. Ebenso, wie beim Kochversuch wirkt die kritische Korngröße einschränkend. An gröberen Körnungen wäre der Schlagwert von Sonnenbrandproben wohl deutlich höher und damit schlechter. Die einaxialen Druckversuche an unterschiedlich stark Sonnenbrand-befallenen Basalten lieferten stark variierende Ergebnisse. Die gewonnenen Werte zeigen, dass der Sonnenbandbefall schon relativ fortgeschritten sein muss, um eine Auswirkung auf die einaxiale Druckfestigkeit zu bewirken. Dann stellt sich allerdings das Problem der Probenvorbereitung. Aus den am stärksten von Flecken und Rissen betroffenen Proben konnten keine Prüfzylinder gewonnen werden, sie sind während des Bohrvorgangs an Rissen gebrochen. Weit mehr als der Grad des Sonnenbrandes (im niedrigen und mittleren Intensitätsbereich) beeinflussen Trennflächen im Gestein das Verhalten unter Druckbeanspruchung. So wurden in völlig gesunden Basalten Werte von ca. 100 MPa bis 150 MPa festgestellt. Die Gesteinseigenschaften und folglich auch der Sonnenbrandbesatz spielen nur bei völlig homogen isotropen Zylindern die entscheidende Rolle. Die Versuchsreihe mit insgesamt 15 Proben stellte sich letztlich als kaum geeignet heraus, um Sonnenbrand zufrieden stellend zu quantifizieren. Bochum 2007 Ultraschallmessungen wurden, ebenso wie die Druckversuche, an unterschiedlich stark von Sonnenbrand befallenen Basalten durchgeführt. Es stellte sich eine große Übereinstimmung zwischen der optischen Klassifizierung gemäß Tab. 1 und den erzielten Schallgeschwindigkeiten ein. Unterschiede in der Rohdichte können ein Hinweis auf unterschiedlich starke Verwitterung (z.B. Sonnenbrand) von Proben sein. Die Dichtemessungen waren ebenso wie die Ultraschallmessungen sehr gut mit dem Grad des Sonnenbrandbefalls zu vergleichen. In der vorliegenden Arbeit wurden allerdings zu wenig Proben untersucht, um repräsentative Ergebnisse für das gesamte Steinbruchsareal zu erzielen. 5 Schlussfolgerungen Die Quantifizierung von Sonnenbrand bei basaltischen Prüfkörnungen ist gemäß DIN EN 1367-3 (2004) durch den Kochversuch und durch einen kombinierten Koch/Schlagversuch vorgesehen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen auf, dass dies nur dann Erfolg verspricht, wenn die untersuchte Körnung mehr als doppelt so grob ist wie die kritische Korngröße des Sonnenbrennerbasalts. Die besten quantitativen Ergebnisse bei Prüfkörpern lieferten Ultraschallmessungen, z.T. unter Einbeziehung der Rohdichte. Als nicht hilfreich in diesen Zusammenhang ist der einaxiale Druckversuch einzuschätzen. Literatur DGEG – Deutsche Gesellschaft für Erd- und Grundbau e.V. [Hrsg.] (1979): Empfehlung für die Versuchstechnik im Fels. Empfehlung Nr. 1: Einaxiale Druckversuche an Gesteinsproben. In: Bautechnik, Heft 7: 217-220. DIN EN 1367-3 (2001): Europäische Norm, Deutsche Fassung, Prüfverfahren für thermische Eigenschaften und Verwitterungsbeständigkeit von Gesteinskörnungen, Teil 3: Kochversuch für Sonnenbrand-Basalt, März 2001. 7 S. 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