Pro j e k t P 50 Frostbeständigkeit steirischer Gesteine

Dr.A.May'er c/9
INSTITUT f. GESTE INS HÜTTEN KU NDE
UND FEUERFESTE BAUSTOFFE
MONTANUNIVERSITÄT LEOSEN
A-8700 LEOSEN
Pro j e k t
P 50
Frostbeständigkeit steirischer Gesteine
Prjektleiter: o.Univ.Prof. Dr.phil.F.Trojer
=============================================
- 1 -
Im Rahmen des Projektes P 50 - Frostbeständigkeit steirischer Gesteine,
wurden Gesteinsproben folgender industriell genutzter Vorkommen untersucht:
S Serpentin/Bronzit u.ä ............
M Marmor ............................
GG Plattengneis
GW Plattengneis ...........•..........
B Basalt .... ~ .......................
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~reg/St.Lorenzen
Sölk - Stein a.d. Enns
Gams
Weststeirische Plattensteinbrüche
Feldbach
Da andere steirische Dekorgesteine, wie etwa das IIHieflauer Konglomerat",
nach Auskunft diverser Dekorgestein-Verarbeiter in der Steiermark zur
Zeit der Versuchsprogrammerstellung nicht in industriell-gewerblichen
Umfang verarbeitet wurden, mußten importierte "Terraz~o"-Proben zum
Frostbeständigkeitsvergleich herangezogen werden.
1.
Die frostbeständigkeitsmethode
Die Frostbeständigkeitsprüfungen erfolgten nach der FROST-TAUWECHSELMETHODE (FTW) nach Trojer/Breslmair am Institut für Gesteinshüttenkunde
und feuerfeste Baustoffe der Montanuniversität Leoben. Dabei wird zylinderförmiges Probengut (50 mm 0, Höhe je nach Probenmaterial) oder stückiges
Probengut der Kornklasse· 50-70 mm in FTW-Zyklen von 90 Minuten Frostung
bei -20°C und 30 Minuten Tauzeit im Wasser bei +20°C, über einen automatisch ablaufenden Tag- und Nachtbetrieb, auf Frost-Tauwechselbeständigkeit beansprucht.
Abb. 1 zeigt das Bewegungsschema der FTW-Anlage
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steueranlage
Deckel.
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- 2 -
Die Beurteilung des Zerfrostungsgrades erfolgt über die Ermittlung des
Gewichtsverlustes (Absplittern, Absanden von Probenmaterial).
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1.1 Probenvorbereitung
Das Probenmaterial wurde im Trockenschrank bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet, der Trocknungsverlust festgehalten.
Nach Beendigung der Trocknung erfolgte die 48-stündige Wasserlagerung/
Wassersättigung bei 20° Wassertemperatur und 200 mm Wassersäule über
dem Probenmaterial. Die überführung der Proben in den ersten Frost/TauZyklus fand im tropfnassen Zustand statt.
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2. Das Probenmaterial
Das eingeholte Probenmaterial , welches die jeweiligen Gewinnungsbetriebe
zur Verfügung stellten, wurde fallweise durch eigene Sammelproben sowie
durch Material, welches von Verbrauchern (z.V öBB) stammte, ergänzt.
Röntgendiffraktometer-Untersuchungen ergaben einen überblick über das
Probenmate~ial.
2.1 Serpentingesteine S - Preg/St.Lorenzen
Die derzeit im Abbau befindlichen Serpentingesteins-Vorkommen des Gebietes
Preg/St.Lorenzen - St.Stefan (irrigerweise meist Serpentin von Kraubath
genannt) können lokal begrenzt oder auch über die gesamte Lagerstätte
verbreitet, äußerst formenreich sein. Meist liegen Magnesiumsilikate,
Magnesium-Eisensilikate bzw deren Hydrosilikate, vor. Im vorwiegend
dunklen Gestein sind häufig helle Adern zu erkennen, bei denen es sich
um Mg-reiche Magnesiumhydrosilikate handelt. Adern mit größerer Mächtigkeit (Zentimeter- bis Meter-Bereiche) können auch hochreinen kryptokristallinen Magnesit führen.
Besonders in oberflächennahen, im fortgeschrittenen Umwandlungsstadium
stehenden Gesteinsbereichen, konnte eine große Zahl verschiedenst gefärbter, oft zonar gebauter und von hellen bis schwarzen Netzwerk durchzogenen Gesteinsformen festgestellt werden.
Für die vorliegenden "Frostfestigkeitsuntersuchungen" schien es daher
sinnvoll, auf die jeweils exakte Mineralbezeichnung bzw. auf das jeweilige
- 3 -
Mischkristallglied zu verzichten und zum besseren überblick in Gesteinsgruppen wi e "Serpenti ngestei n, Magnes it, Bronzit" usw. zusammenzufassen.
Grundsätzlich bestand das Probenmaterial aus folgenden Mineralen bzw.
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Serpentin - 3MgO.2Si0 2 .2H 20
Olivin - (MgO,FeO)2.Si02
Forsterit - 2MgO.Si0 2
Bronzit- (MgO,FeO)2.2Si0 2 ,
(5-15 % FeO)
Enstatit - (MgO,FeO)2.2Si0 2 (0-5 % FeO)
Magnesit (kryprokristallin) - MgC0 3
Chlorite - meist in Spalten
In einigen Fällen war auch Chromit nachweisbar. Im Gegensatz zum übrigen
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Probenmaterial , wird für das Probenmaterialfeine Vielzahl von Mineralen
angeführt, da mineralbestandsabhängig, wesentliche Unterschiede im FTWVe~halten auftreten.
2.2 Marmor - Stein a.d. Enns
Der meist sehr reine Marmor war nur örtlich von Quarzkörnchen sowie
Chlorit- und Glimmerschüppchen durchsetzt.
2.3.
2.4
Plattengneis
Plattengneis
GG
GW
Alle Gneismuster hatten Quarz und Feldspäte als Hauptbestandteile, daneben
Glimmer, Granate und Turmalin als wesentliche Nebenminerale. Entsprechend
der Metamorphose-Bedingungen waren sehr unterschiedliche Kristallgrößen,
vor allem der Feldspäte, Granate und Turmaline, festzustellen.
2.5
Basalt - Feldbach
B
Alle vom Verbraucher zur Verfügung gestellten Basaltmuster waren Pyroxen/
Feldspat-Basalte mit z.T. beträchtlichen Nephelinanteilen.
Die feinkristalline Matrix zeigte dichtes bis hochporöses Gefüge.
- 4 -
3.
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Untersuchungsergebnisse
In Diagramm 1 sind die Ergebnisse graphisch dargestellt. Als Bezugswert für
den Zerfroptungsbeginn zählte ein Probekörper - Gewichtsverlust von 5 % Masse.
Für Proben, deren Zerfrostungs-Anfangswerte stark vom jeweiligen Mittelwert
abwichen, standen Ersatzproben zur Verfügung.
Zeichenerklärung:
= FTW ohne erkennbaren Frostschaden
=
=
S1
S2
S3
FTW mit leichten Frostschäden
FTW mit starken Frostschäden
"Serpentin" dicht, grUn-schwarze Färbung
= "Serpentin" dicht, bräunliche Färbung, verwittert
= "Serpentin" mit hellen Adern, z.T. magnesithaltig, z.T. mit
Chloritschichten
S 4 = dichter Magnesit mit eingeschlossenen Serpentinmineralen
S 5 = Bronzit
GG = Gneis aus dem Raum Gams; grobes Gefüge, bräunlich
GW = Gneis aus dem Raum Frauental/Gams; feines Gefüge, helle Färbung
B 1 = Basalt dicht
B 2 = Basalt porös
M = Marmor (aus Marmorplatten)
Ter = Terrazzo
B 300= Normenbeton B 300
B 300 LP = Normenbeton B 300 mit Luftporenbildner
=
3.1 "Serpentin" S 1
Das dichte, grün-schwarze Serpentingestein ließ bis zum Abbruch der Untersuchung bei 1500 FTW, keine FTW-Schäden erkennen.
Bild 1 - 4 zeigt REM-Aufnahmen von Bruchflächen des gefrosteten Probengutes.
- 5 -
Bild 1:
REM 100x
Bild 2:
REM 500x
Bild 3:
REM 2000x
Bild 4:
REM
10ÜOx
Im Bild 5 ist das Mg/Si/Fe-Verhältnis dieses frostfesten Serpentingesteines wiedergegeben.
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- 7 -
3.1.1 Serpentingestein S 2, braun
Im Gegensatz zum Serpentin S 1, zeigte das Probenmaterial S 2 wesentlich
höhere Wasseraufnahmewerte. Die braune Oberflächenfärbung (verwitterte
bzw. oxidierte Zone) reichte bis zu 50 mm in das Gestein. Eingebettet
in diesen z.T. umgewandelten Gesteinsschichten waren Chromit, Chlorite
und Kämmererit zu finden.
Erste Frostschäden traten bei ~ 400 FTW auf. Nach dem Auftreten der ersten
Frostschäden erfolgte, von der Oberfläche ausgehend, ein langsames Absanden der Probekörper. Aus den Bildern 6 - 7 geht die Frostwirkung, welche
vornehmlich die Korngrenzen beispielsweise von Chromitkörnern (Bild 7)
oder die serpentinisierte Zone um Olivinkörner angreift, deutlich hervor.
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Bild 6: REM 200x
Chromit-Korn,
infolge von 1500 FTW
nur mehr lose im langsam zerfallenden
braunen Serpentingestein
Bild 7: REM 1000x
Frostschäden in der Zersetzungszone
um ein Olivinkorn
3.1.2 Magnesit mit stückigem Serpentingestein S 3
Ein nicht unwesentlicher Teil des (1982) im Handel befindlichen Materiales
der Lagerstätte Preg/St. Lorenzen bestand aus kryptokristallinen Magnesit,
durchsetzt mit feinst vertei lten Chloriten, "Serpenti n" usw.
Eingeschlossen in dieser Matrix lagen Serpentingesteinsreste mit meist
geradlinigen Kanten, oft sogar mit prismatischen Formen.
Die Frostfestigkeit dieses Kornanteiles war ebenfalls relativ gering, da
die Zerfrostung sowohl im "Magnesit" (Sondenanalyse Bild 8/9) als auch
an den Grenzen Serpentingesteint'Magnesit" einsetzte.
- 8 -
Bild 10: REM 2000x
Zerfrostung, durch den "Magnesit"
gehend.
Bild 11: REM 2000x
Zerfrostung eines MagnesiumsilikatKornes MS (nahezu frei von Fe I).
Frostschäden sind auch am umhüllenden Mineralgemenge zu erkennen.
Serpentingestein mit "Magnesitadern" S 4
Dieses an sich äußerst frostfeste Material neigt dazu, durch Frostsprengungen entlang der meist hellen Adern, in relativ große Stücke zu zerfallen.
3.1.3
Bild 12: REM 2000x
Die faserige-stengelige Struktur dieser
Mg-reichen Hydrosilikate scheint besonbesonders frostempfindlich zu sein.
Bild 13/14 ermöglicht einen Vergleich über die Elementeverteilung
(Mg-Si-Fe-Cr) im Serpentingestein sowie in Spaltfüllungen entsprechend
Bild 12.
- 9 -
Bild 13:
Mikrosondenanalyse - Serpentingestein/Obersicht
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Bild 14:
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Frostempfindliche Spaltfüllungen können, wie die Bilder 15/16 zeigen,
auch Nadel-Struktur aufweisen.
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REM 5000 x
Bild 16:
REM 500x
3.1.4 Bronzit S 5
Bronzit kann, wie die vorliegenden Untersuchungen zeigen, als äußerst
frostfestes Serpentin-Begleitmineral angesehen werden. Infolge der dichtverzahnten Struktur (Bild 17) scheinen 1500 FTW-Zyklen,selbst an Mgreichen Spaltenfüllungen, keine Frostschäden hervorzurufen.
Bild 17: REM 100x
Bronzit - B - und "Serpentingestein"
- S - nach 1500 FTW.
Bild 18: REM 500x
Bild 18 zeigt das innig verzahnte
Gefüge von Bronzit.
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Bild 19:
Qualitative Mikrosondenanalyse einer Bronzitprobe analog Bild 18.
Deutlich ist der vergleichsweise niedrige Mg-Anteil neben dem hohen
Fe-Gehalt zu erkennen. Der Ca-Anteil aller dargestellten FTW-Proben
stammt aus Anlagerungen während der jeweils rund 6 Monate laufenden
FTW-Zykl en.
Frostfestigkeit von Plattengneisproben aus dem Raum Gams/Frauental
Wie aus Diagramm 1 zu ersehen ist, war die Frostfestigkeit der Plattengneisproben sehr hoch. Dies trifft sowohl für offenbar ausgesuchte, von
Betrieben zur Verfügung gestellten Muster, als auch für selbst gezogene
Proben zu.
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Dieser recht grobkörnige, von großen "Feldspataugen" gekennzeichnete
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Plattengneis ließ durchschnittlich ab 1150 FTW dünnblättrige Frostabsprengungen*erkennen. Durch Mobilisation von Fe-Verbindungen, traten an den
Außenflächen rostbraune Lagenzeichnungen auf.
Bild 20: REM 1000x
Nach 1500 FTW gelockertes Quarzkorn - Q daneben Kali-Feldspat - Sp Bild 21:
Mikrosondenanalyse zum Feldspat - Sp - in Bild 20
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Zwei Quarzkörner - Q - mit zerfrostetem
Glimmer in deutlich sichtbarer Verzahnuna.
Die im Bild 22 ersichtlichen Glimmerpakete liefern im Zuge ihres Zerfalles
auch jene Eisenhydroxid-Verbindungen, welche die Gesteinsoberfläche lagenorientiert braun färben.
Bild 23:
Sondenanalyse eines Glimmerplättchens aus Bild 22
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Plattengneis
GW
Im Vergleich zu Plattengneis GG, war Plattengneis GW deutlich feinkörniger und wies überdies einen relativ hohen Granatanteil auf.
Die ersten Frostschäden in Form geringfügiger Abblätterungen, traten
bei rund 1250 FTW auf.
Auch nach 1500 FTW war keinerlei Verfärbung der Probenoberfläche feststell bar.
3.3 Basalt
Die Frostbeständigkeit der Basaltproben, die aus einer öBB-Gleisschotterlieferung stammten, war sehr unterschiedlich.
Während der dichte Basalt B 1 höchste FTW-Werte erwarten läßt, zeigten
die porösen Basaltmuster je nach Porigkeit, Porengrößen und Porengrößenverteilung, schon ab 400 FTW deutliche Frostabsprengungen.
Erwähnenswert scheint auch, daß ein geringerer Anteil der aus der Waggonladung entnommenen Gesteinsmuster, kein Basalt, sondern ein dem Basalt
in Korngröße und Kornfarbe ähnlicher Kalkstein war.
Bild 24: REM 20x
Grobporiger Basalt - B 2 - bei
20-facher Vergrößerung.
Bild 25: REM 500x
Basalt - B 2 - Hohlraumkristallisation in Basaltporen.
Bild 26: REM 2000x
Basalt - B 1 - Ilmenitkorn - Il im dichten Basalt.
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3.4 Marmor
M
Die aus Marmorplatten gewonnenen Proben ließen nach 1500 FTW keine Frostschäden erkennen.
In den aildern 27 - 29 ist die Marmorstruktur bei 100 - 1000-facher Vergrößerung dargestellt.
Bild 27: REM
Marmor - M -
100x
Bild 28: REM 500x
Marmor - M -
Bil d 29: REM 1000x
Marmor - M
4.
Frostfestigkeitsvergleiche
Um Frostfestigkeitsvergleiche zu ermöglichen, wurden "Terrazzo"-Proben
aus einseitig geschliffenen Fußbodenplatten (Innenausbau) gleichzeitig
mit dem anderen Probenmaterial gefrostet. Die Zement-Gi ps-gebundenen
Platten zeigten nach 900 FTW leichte und nach 1100 FTW schwere Zer-
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frostungsschäden. Besonders stark traten die Zerfrostungsschäden am
schwarzen Kalkstein-Zuschlag auf. Der ebenfalls im Grobkornsplitt befindliche helle Dolomit wurde hingegen wenig angegriffen (Bilder 30/31).
Bil d 30: REM 1000x
CaC0 3 -Korn nach 1000 FTW zersprengt.
An der Kornoberfläche Gips- und CSHPhasen.
4.1
Bild 31: REM 2000x
Vornehmlich Gipskristalle des Primär-Bindemittels.
Frostfestigkeitsvergleich mit Normenbeton
Im Diagramm 1 sind den gefundenen Gesteins-Frostfestigkeitswerten, auch
die FTW-Werte von Normenbeton B 300 mit und ohne Luftporenbildner, gegenübergestellt. Man kann daraus ersehen, daß nur der mit Luftporenbildner
versetzte B 300 LP, den untersuchten Gesteinen gleichzusetzen ist.
Zusammenf~ssung
Die beiden in der Steiermark großtechnisch genutzten Schottertypen
BASALT/Feldbach und SERPENTINGESTEIN/Preg können, soferne diese dicht
und unverwittert sind, als FROSTFEST angesehen werden.
Poröser Basalt und bräunlich verwittertes Serpentingestein, sowie
Serpentingesteine mit Magnesit oder Mg-reichen Kluftfüllungen, zeigen
wesentlich geringere FTW-Werte und dürften eine über Jahrzehnte
reichende natürliche Bewitterung nicht ohne Zerfrostung überdauern.
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An Marmorplatten konnten keine Frostschäden festgestellt werden.
Plattengneisproben zeigten leichtes dünnschichtiges Abfrosten, die grobkörnige ; gelblich-bräunliche Art neigte infolge Zersetzung der Glimmerminerale, zur Oberflächenverfärbung.
Insgesamt können derartige Plattengneise im Sinne einer vieljährigen
Naturbewitterung als FROSTFEST angesehen werden.