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Mehr InfosDiplomarbeit, 2002, 130 Seiten
Diplomarbeit
1,0
Zusammenfassung
Abstract
1. Einleitung
2. Probenmaterial
2.1 Geologische Entstehung
2.2 Petrographie
2.2.1 Aflenzer Kalksandstein
2.2.2 St. Margarethener Kalksandstein
2.3 Probencharakterisierung
3. Technische Gesteinseigenschaften
3.1 Allgemein
3.2 Rohdichte
3.3 Ultraschall
3.4 Wasseraufnahme
3.5 Kapillares Saugvermögen
3.6 Einaxiale Würfeldruckfestigkeit
3.7 Biegezugfestigkeit
3.8 Gegenüberstellung der Versuchsergebnisse
4. Salzkristallisation
4.1 Allgemein
4.2 Schädigungsmechanismen
4.2.1 Hydrostatischer Kristallisationsdruck
4.2.2 Linearer Wachstumsdruck
4.2.3 Hydratationsdruck
4.2.4 Osmose
4.3 Einfluß des Porenraums und der Porenradienverteilung
4.3.1 Kapillare Aufnahme von Wasser in porösen Festkörpern
4.3.2 Der Prozeß der Verdunstung und der Dampfdiffusion in porösen Festkörpern
4.3.3 Meßverfahren und ihre Ergebnisse
5. Versuchsdurchführung
5.1 Allgemein
5.2 Natriumsulfat – Test
5.3 Magnesiumsulfat – Test
5.4 Gegenüberstellung zum Normversuch der ÖN EN 12370
5.5 Bestimmung der Lösungskonzentration und Ausgleich der Verluste
6. Ergebnisse der Kristallisationstests
6.1 Natriumsulfat-Test
6.1.1 Aflenzer Kalksandstein
6.1.2 St. Margarethener Kalksandstein
6.2 Magnesiumsulfat-Test
6.2.1 Aflenzer Kalksandstein
6.2.2 St. Margarethener Kalksandstein
7. Interpretation und Perspektiven
7.1 Allgemein
7.2 Aflenzer Kalksandstein
7.3 St. Margarethener Kalksandstein
7.4 Perspektiven in der Bewertung der Widerstandsfähigkeit gegen Salze
8. Anhang
8.1 Protokolle zur Rohdichtebestimmung
8.2 Protokolle zur Ultraschallgeschwindigkeit
8.3 Protokolle zur Wasseraufnahme
8.4 Protokolle zur kapillaren Steighöhe
8.5 Arbeitslinien der Druckversuche
8.6 Arbeitslinien der Biegezugversuche
9. Literaturverzeichnis
10. Abbildungsverzeichnis
11. Tabellenverzeichnis
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Beständigkeit von Festgesteinen gegen Schädigung durch Salze. Dazu wurden an zwei beispielhaften Kalksandsteinen (Aflenzer Kalksandstein und St. Margarethener Kalksandstein) Salzkristallisationsversuche mit Natriumsulfat und Magnesiumsulfat durchgeführt. Die Probegesteine wurden in geologischer und petrographischer Hinsicht beschrieben, und ihre technischen Gesteinseigenschaften bestimmt. Folgende Versuche wurden im Labor des Institutes für Ingenieurgeologie der Technischen Universität Wien durchgeführt:
- Rohdichte
- Ultraschallgeschwindigkeit
- Wasseraufnahmeverhalten
- Kapillares Saugvermögen
- Druckfestigkeit
- Biegezugfestigkeit
In Anlehnung an die ÖNORM EN 12370 Prüfverfahren für Naturstein – Bestimmung des Widerstandes gegen Kristallisation von Salzen wurde ein Versuchsablauf erstellt und ausgeführt. Der Masseverlust bzw. die Massezunahme der der Salzlösung ausgesetzten, ungebrochenen Probekörper wurde bestimmt und die Druckfestigkeit an weitgehend ungeschädigten Probekörpern ermittelt. Die Ergebnisse der Salzkristallisationstests wurden in tabellarischer sowie fotografischer Form dokumentiert und als Grundlage für eine Interpretation der Schädigungsvorgänge und ihrer Einflußfaktoren verwendet.
Es zeigte sich, dass der St. Margarethener Kalksandstein, welcher im unbehandelten Zustand die höheren Festigkeitswerte aufwies, auch gegen Schädigung durch Salze resistenter war, als der Aflenzer Stein. Generell traten beim Natriumsulfat-Test größere Schäden auf, welche beim Aflenzer Stein zu zahlreichen Brüchen der Probewürfel führten.
Abschließend wurde versucht einen Ansatz zu finden, der es ermöglicht, die Beständigkeit von Festgesteinen gegen Schädigung durch Salze abzuschätzen, ohne aufwendige Kristallisationstests durchführen zu müssen.
Diese Arbeit stellt einen Versuch dar, naturnahe Bedingungen in Kristallisationsversuchen zu simulieren, und aufzuzeigen, welche Probleme entstehen können bzw. welche Fragen noch zu lösen sind. In diesem Sinne ist sie ein kleiner Schritt auf dem Weg zur Lösung der komplexen Zusammenhänge der Einflussfaktoren der Schädigungsmechanismen bzw. des Problems einer möglichst naturnahen Simulation in Laborversuchen.
This treatise describes the resistance of natural stone against erosion in case of salt weathering. Tests were made on two types of calcareous arenites (Aflenzer arenite and St. Margarethener arenite) and the resistance against salt crystallisation of sodium sulphate and magnesium sulphate was determined. The used material was described from the geological and petrographical point of view. Also there were common tests made to describe the technical stone quality. The following properties were investigated at the Institute of Engineering Geology of the Vienna University of Technology:
- density
- ultrasonic velocity
- water absorption
- capillary suction
- compressive strength
- tensile strength
In accordance to ÖNORM EN 12370 Natural stone test methods – Determination of resistance to salt crystallisation, a test-issue was chosen and realized. The loss or the increase of mass of the test-cubes, at the end of the tests, was reported and the compressive strength of the nearly uncrumbled cubes were determined. The results of the crystallisation tests were documented in tabels and photographies and used to explain the mechanism of damage and its influences.
The calcareous arenite from St. Margarethen had a higher strength in the untreated condition, and also after weathering with salt solvent. In general there was a higher damage in the sodium sulphate tests which caused a bulk of broken test-cubes of the calcareous arenite from Aflenz.
Finally, there was tried to find a new way of estimate resistance against salt treatment without making protracted crystallisation tests.
To simulate conditions of nature in lab-tests, is one of the biggest problems, which leaves a range of questions come to existance. In this sense, this investigation is a small step on the way to solve the complex connections between the influences of salt weathering and the problem of realizing nature-like conditions in laboratory tests.
Betrachtet man die Zerstörung von Kulturgütern aus Naturstein, so nimmt die Salzkristallisation eine bedeutende Rolle ein. Meist schwache Salzlösungen dringen in den Stein ein und schädigen sein Gefüge. Teilweise finden auch wäßrige Salz – Salz – Reaktionen statt, die oftmals die eigentlichen Schadensverursacher sind. Eine wichtige Rolle spielt dabei das Umgebungsklima, welches Voraussetzungen für chemische Reaktionen schafft.
An vielen Gebäuden wurden schon die unterschiedlichsten bauschädlichen Salze nachgewiesen. Am häufigsten konnten Sulfate bestimmt werden. Weiters spielen Chloride und Nitrate eine wesentliche Rolle. Nitrate sind praktisch immer ein Hinweis auf organogene Einflüsse (Verwesungsprozesse, Fäkalien, etc.), sie sind wesentlich seltener als Chloride. Sulfate und Chloride konnten an allen Gebäuden, in unterschiedlicher Menge, festgestellt werden.
Bis heute sind die genauen Zusammenhänge zwischen Salzschädigung, Porenradienverteilung und Gesteinsfestigkeit nicht genau geklärt. Deshalb ist es notwendig Laborversuche mit dem jeweiligen Gestein durchzuführen.
In dieser Arbeit werden Schädigungen durch Auskristallisation und Umkristallisation von Natriumsulfat und Magnesiumsulfat im Labor untersucht. Die verwendeten Probegesteine sind Aflenzer Kalksandstein und St. Margarethener Kalksandstein. Wobei über die technischen Eigenschaften des St. Margarethener Kalksandsteines genaue Daten durch die Arbeiten von STRAUCH (1984), ROHATSCH (1997) und FLEISCHER (2001) vorliegen. Deshalb wurden zuerst die technischen Eigenschaften des Aflenzer Kalksandsteines ermittelt und danach die eigentlichen Hauptversuche dieser Arbeit durchgeführt.
Als Beispiele für die historische Verwendung der beiden Sandsteinarten, sollen hier nur der Dom zu St. Stephan in Wien, die Kirche Maria am Gestade (St. Margarethener Kalksandstein) oder die Luegerkirche am Zentralfriedhof (Aflenzer Kalksandstein) in Wien, angeführt sein. Durch die einfache Art der Bearbeitung stellen diese Gesteine wertvolle Bildhauersteine dar. KIESLINGER (1932) meinte außerdem, daß die Steine meist eine gute Verwitterungsbeständigkeit aufweisen.
Bei der Wahl der Versuchsdurchführung wurde die ÖNORM EN 12370 Prüfverfahren für Naturstein – Bestimmung des Widerstandes gegen Kristallisation von Salzen nur zum Teil berücksichtigt. Von wesentlichen Punkten, die in der Norm gefordert sind, wurde Abstand genommen. Die Gründe dazu werden im Kapitel Versuchsdurchführung erläutert, und gründen sich vor allem auf Erfahrungswerte über thermische Beanspruchungen bzw. sollten möglichst naturnahe Bedingungen geschaffen werden.
Vor der Beschreibung der Versuchsdurchführung soll noch ein Einblick in die Vorgänge der Schädigung durch Kristallisation von Salzen gegeben werden. Dazu wird der Prozeß der Salzschädigung in seine verschiedenen Wirkungen aufgegliedert, um ihn in seiner Gesamtheit besser verstehen zu können.
Sowohl der Aflenzer als auch der St. Margarethener Kalksandstein zählen zu den Leithakalken, die die verschiedenen und sehr verschiedenartigen Kalkbildungen des Baden (Zeitabschnitt im Neogen vor rund 15 – 16 Millionen Jahren) der österreichischen Tertiärbecken umfassen.
OBERHAUSER (1980) beschreibt das Steirische Becken als drittgrößtes Tertiärareal Österreichs, welches zur Gänze auf alpinem Boden liegt. An der Grenze zum Karpat erfuhr die getrennte Entwicklung der Teilbecken durch Erlöschen der Bruchtätigkeit, nach kurzer intensiver Erosionsphase, Ablösung durch eine regional einsetzende Vertiefung des Gesamtbeckens. Dadurch gerieten weite Randgebiete und bisher trocken verbliebene Schwellen unter den Meeresspiegel. Die See erreichte damals ihre flächenhaft größte Ausdehnung im Steirischen Becken, wobei ihre Ablagerungen mit meist deutlicher Winkeldiskordanz dem älteren Miozän aufruhen. An den Beckenrändern der Gamlitzer Bucht treten verschiedene Randfazies auf, unter anderem Leithakalkkonglomerat mit bereits marinen Mollusken und Verzahnung mit echten Corallinaceenkalken (Rotalgenkalke), wie dem Aflenzer Stein, und gelegentlichen Andesiteinschaltungen.
Nach FUCHS (1960) und ROHATSCH (1997) waren zur selben Zeit im Badenium, das heißt vor rund 15 Millionen Jahren, das Wiener- sowie das Eisenstädter Becken vom Meer flach überdeckt, welches unter anderem im Gebiet von St. Margarethen mächtige Sedimentgesteine hinterließ. Der Ablagerungsraum lag im Wellenschlagbereich, so daß der Hauptsedimentbildner, der Kalkalgenrasen nach dem Absterben meist zerbrochen, zerschlagen oder zerrieben und zusammen mit anderen Organismen von der Strömung und dem Wellenschlag verfrachtet wurde. An günstigen Orten lagerte er sich wieder ab und wurde zum Teil gut verfestigt. Dieses Material bildet den St. Margarethener Kalksandstein.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Geologische Zeittafel, Studienblatt des Institutes für Ingenieurgeologie, TU Wien
Die untersuchten Kalksandsteine zählen zu den detritären („zerriebenen“) Leithakalken. Ihre Ausbildung hängt vor allem von den örtlichen Entstehungsbedingungen und nicht von ihrem geologischen Alter ab. Die bezeichnendste Eigenschaft der Kalksandsteine ist ihre hohe Porosität in der Größenordnung von bis zu 30 Vol.-%. Daraus folgt auch, daß sie nicht polierbar sind, aber leicht zu bearbeiten und zu sägen. Die Eigenschaft, daß Gesteine beim Austrocknen härter werden, ist bei den Kalksandsteinen besonders ausgeprägt.
Der Aflenzer Kalksandstein besteht in der Hauptsache entweder aus kleinen Fossilschalen (Foraminiferen, Bryozoen,...) oder aus einem ziemlich gleichkörnigen Sand, der Bruchstücke von Kalkalgen und von größeren Molluskenschalen darstellt. Die Verkittung erfolgt in der üblichen Weise durch Kalkspat, der die Körnchen zunächst mit einem Pelz von kleinen Kristallen überzieht. Bei weitgehender Verkittung werden dann die kleineren Poren vollkommen geschlossen.
Im Folgenden wird KIESLINGER (1932) zitiert: „ Mann kann im großen und ganzen zwei Abarten unterscheiden: Die eine ist ein weicher, feinkörniger gleichmäßiger Kalksandstein, der am ehesten mit dem „weichen Stein“ von St. Margarethen zu vergleichen ist. Die zweite Abart unterscheidet sich von der ersten dadurch, daß sie sehr reich an größeren Stengeln von Kalkalgen ist. Diese sind zu einer weichen, kreidigen Masse zerfallen. Beim Berühren hinterläßt dieses Gestein reichlichen Kalkstaub an den Fingern. Betrachtet man frische Bruchflächen unter dem Mikroskop, so wirkt der Gegensatz von den harten Kristallkrusten des Rindenkitts und der von ihm umschlossenen kreidigen Massen sehr deutlich. An Dünnschliffen, die übrigens nur mit äußerster Sorgfalt hergestellt werden können, zeigt sich die Auflösung dadurch, daß die Algenstengel nach ihren Zellgrenzen zerreißen, statt beliebig quer durch wie bei den festen Leithakalken. Der Gefügeunterschied zwischen beiden Gesteinen ist mikroskopisch schwer zu erfassen. Im allgemeinen hat die Abart mit den größeren Algenstengel auch größere und unregelmäßigere Poren und es sind ihre einzelnen Körner viel weniger gleichmäßig verkittet als bei den feinkörnigen Kalksandsteinen.
Wir haben hier also eine etwas andere Art der Diagenese vor uns als bei den Kalksandsteinen des Leithagebirges, bei welchen gerade die Algenstengel von vornherein die festeren Bestandteile sind. “
WEBER (1965) stellt folgendes fest: „ Der Aflenzer Stein hat eine hellgelbe Farbe mit weißer Sprenkelung und zeigt kreidige Beschaffenheit. Die Organismenreste werden durch eine sekundäre Kalkausfällung (Kalkspatisation) verfestigt. Am petrographischen Aufbau haben anorganische Bestandteile (Quarzkörner, Glimmerschüppchen) nur geringen Anteil.“
Am ehesten ist der Aflenzer Kalksandstein aufgrund der häufig vorkommenden Bryozoen dem Zogelsdorfer Kalksandstein ähnlich.
Strauch (1984): „ Der St. Margarethener Kalksandstein ist ein gelblichweißer bis gelbbrauner Kalkarenit mit oft wechselnder, aber immer relativ hoher Porosität. Der das Gestein aufbauende Kalksand ist sehr gleichkörnig. Die Schluff- Fraktion fehlt fast immer, die Ton- Fraktion fehlt vollständig. Oft stößt man auf faustgroße Kalkalgenknollen und Muschelbruchstücke, die im Sandstein eingebettet sind. Der St. Margarethener Kalksandstein ist für diese Einschlüsse, auch Rosetten genannt, sehr bekannt und wegen dieser auch beliebt.“
Die Verkittung der Kalkzerreibsel erfolgt ebenso wie beim Aflenzer Stein durch reinen Kalkspat mit Porositäten von 20 – 30 Vol.-%. Der St. Margarethener Stein besteht aus rund 25% gut erhaltenen Foraminiferen, der Rest besteht aus Kalkrotalgenbruchstücken. Der sich in manchen Poren befindliche klare Kalkspat erhöht die Festigkeitseigenschaften sehr. Durch limonitische Eisenverbindungen entsteht eine Gelb- und Braunfärbung. Weiters enthält der Stein geringe Anteile an Quarz, Hornblende und Glimmer.
Das Probenmaterial stammt einerseits aus Lagerbeständen des Institutes für Ingenieurgeologie, wie das beim St. Margarethener Kalksandstein der Fall war, andererseits von Lieferungen der Fa. Steinindustrie Grein (Graz), im Fall des Aflenzer Kalksandsteines.
Vom St. Margarethener Stein wurden zwei Typen verwendet. Einerseits ein mittel- bis feinkörniger Typ, im Folgenden mit A gekennzeichnet, andererseits ein grobkörniger Typ, im Folgenden mit B gekennzeichnet. Diese Unterscheidung basiert auf der Diplomarbeit von STRAUCH (1984). Hauptunterscheidungsmerkmale sind dabei die Anzahl der muscheligen Einschlüsse, örtliche Verdichtungen und die Farbe. Typ A weist einen sehr homogenen Aufbau auf, seine Farbe ist hellgelb bis braungelb. Bei Typ B ist die sedimentäre Schichtung leichter zu erkennen als bei Typ A, seine Farbe ist gelbbraun. Weiters sind beim Typ B die bekannten Rosetten in großer Anzahl zu finden. Durch diese Einschlüsse variieren auch die Porenradien des Typs B, im Gegensatz zu den konstant feinen Poren des Typs A.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: St. Margarethener Kalksandstein, Typ A (links) und Typ B (rechts)
Vom Aflenzer Kalksandstein wurden mehrere Platten geliefert, die nach Augenschein in zwei unterschiedliche Ausbildungsformen eingeteilt werden konnten. Diese Einteilung hat sich auch in den weiteren Versuchen bestätigt. Der härtere Typ wird im Folgenden analog zum St. Margarethener Stein mit A bezeichnet. Seine Farbe ist hellgrau bis hellgelb, das Gefüge ist feinkörnig mit einer großen Anzahl an Einschlüssen. Er besticht vor allem durch seine schöne Oberfläche an der Foraminiferen und Kalkalgen gut zu erkennen sind. Typ B ist ein weicherer, poröserer Stein in kreidiger Erscheinungsform. Der Stein besitzt insgesamt eine rauhere Oberfläche als Typ A und bröselt bei leichten Druck auf die Kanten ab. Seine Farbe ist hellgelb bis gelbbraun. Das Gefüge des Typs B ist gleichmäßig grobkörnig mit einer sehr geringen Anzahl an Großfossilien. Dem vorsichtigen Hantieren mit den Probekörpern des Typs B mußte besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Eine weiße Sprenkelung ist an beiden Typen zu finden.
Beim Aflenzer Stein wurden Übergänge von einem zum anderen Typus sogar in derselben Platte festgestellt, die normal auf die sedimentäre Schichtung gewonnen war.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: Aflenzer Kalksandstein, Typ A (links) und Typ B (rechts)
In den folgenden Beschreibungen der verschiedenen Versuche und ihrer Ergebnisse wurde des öfteren die Trockenmasse von Probekörpern ermittelt. Dazu war es notwendig diese Probekörper bis zur Massenkonstanz, d.h. die Masse ändert sich innerhalb von 24 Stunden um nicht mehr als 0,1%, bei 70°C getrocknet. Um die benötigte Zeit zum Erreichen der Massenkonstanz festzustellen, wurden vier Probewürfeln (50 mm Seitenlänge) in dieser Weise untersucht. Die Proben bestanden aus je zwei Aflenzer bzw. St. Margarethener Kalksandsteinen in unterschiedlichen Varietäten. Zur Feststellung der Trockenmasse wurden, wie in ÖNORM B 3121 angegeben, die Probekörper im Exsikkator auf Raumtemperatur abgekühlt.
Aus den Untersuchungen ging hervor, daß alle Proben, nach 48 Stunden ihre Massenkonstanz erreicht hatten. Diese Zeitangabe wurde dann in den anschließenden Versuchen, bei der Bestimmung der Trockenmasse, verwendet.
Weiters wurde beim Auskühlen im Exsikkator immer eine Zeitspanne von mindestens 3 Stunden eingehalten.
Die Ermittlung der Rohdichte erfolgte gemäß ÖNORM B 3121, mit Ausnahme der Trocknungstemperatur. Diese betrug, statt wie in der Norm gefordert (105 ± 5)°C, nur 70°C, um Veränderungen des Gesteins, z.B. durch thermische Dehnung, vorzubeugen. Nach dem Trocknen bis zur Massenkonstanz, erfolgte das Auskühlen im Exsikkator. Danach wurde die Trockenmasse (mt) bestimmt. Die anschließende Wasserlagerung erfolgte über 24 Stunden. Die Rohdichte wurde mit dem Auftriebsverfahren ohne Umhüllung ermittelt, das heißt nach der Wasserlagerung (rf) wurde die Masse des feuchten Probekörpers (mf), und die Masse des Probekörpers unter Auftrieb (ma), bestimmt. Mit folgenden Formeln wurde die Rohdichte errechnet:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten .Rauminhalt der Probe einschl. unzugänglicher Hohlräume [cm3]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.Rohdichte der Probe [g/cm3]
Als Probekörperformen kamen Prismen und Würfel zum Einsatz.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 1: Durchschnittswerte der Rohdichte
Die Ultraschallgeschwindigkeiten wurden mit dem Impuls-Laufzeitverfahren ermittelt. Die gemessene Geschwindigkeit hängt dabei von der Rohdichte, dem Porenanteil und der eventuellen Wassersättigung ab. Zusätzlich zu diesen schon länger bekannten Einflußfaktoren, sind Erkenntnisse über den Einfluß der Meßlänge dazugekommen (FLEISCHER 2002). Die Proben wurden nach der Bestimmung der Trockenmasse, im Zuge der Rohdichteermittlung, mit dem Ultraschallmeßgerät untersucht. Der Anpreßdruck der Meßköpfe wurde dabei über ein luftdruck-betriebenes Stativ (Druckkopfstativ) konstant auf 7 bar gehalten.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.Ultraschallgeschwindigkeit [km/s]
d.Distanz der Meßköpfe [mm]
tLW.Laufzeit der Longitudinalwelle [ms]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Versuchsanordnung Ultraschallmessung
Beim Aflenzer Kalksandstein wurden die Messungen an den Probewürfeln in zwei Richtungen, parallel und normal zur sedimentären Schichtung, an den Prismen nur parallel zur sedimentären Schichtung, durchgeführt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 2: Durchschnittswerte der Ultraschallgeschwindigkeit [km/s], Aflenzer Kalksandstein
Beim St. Margarethener Stein war die sedimentäre Schichtung nicht exakt erkennbar, weshalb die Messungen in drei Richtungen durchgeführt wurden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 3: Durchschnittswerte der Ultraschallgeschwindigkeit [km/s], St. Margarethener Kalksandstein
Die Prüfkörper wurden bei 70°C bis zur Massenkonstanz getrocknet und im Exsikkator abgekühlt. Danach erfolgte die Wägung der Trockenmasse und die Einlagerung in Wasser. Die Überdeckung betrug dabei mindestens 3 Zentimeter. Zu mehreren, mit der Zeit wachsenden Abständen, wurde nun die Masse der Probekörper, samt dem aufgenommenen Wasser, ermittelt. Dazu wurden die Prismen bzw. Würfel aus dem Wasser genommen, und mit Küchenrollen-Papier abgetupft. Erschienen die Oberflächen `mattfeucht´ folgte die Bestimmung der Feuchtemasse und die Berechnung der massebezogenen Wasseraufnahme in Prozent.
Im Folgenden sind Diagramme über die Wasseraufnahme der unterschiedlichen Gesteinstypen getrennt nach Kurzzeit- und Langzeit-Wasseraufnahme wiedergegeben.
Beim Aflenzer Kalksandstein wurden zur Bestimmung der Wasseraufnahme prismatische Probekörper mit Seitenlängen von 50 x 50 x 200 mm verwendet. Abbildung 5 und 6 zeigen den Durchschnitt aus sechs Probekörpern.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5: Kurzzeit-Wasseraufnahme, Aflenzer Kalksandstein Typ A
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6: Langzeit-Wasseraufnahme, Aflenzer Kalksandstein Typ A
Da beim Aflenzer Kalksandstein Typ B nur Prismen mit einer Seitenlänge von 50 x 50 x 160 mm zur Verfügung standen, wurden sie in diesem Fall zur Bestimmung der Wasseraufnahmefähigkeit verwendet. Der Durchschnitt aus sechs Messungen ergibt Abbildung 7 und 8.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: Kurzzeit-Wasseraufnahme, Aflenzer Kalksandstein Typ B
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 8: Langzeit-Wasseraufnahme, Aflenzer Kalksandstein Typ B
Beim St. Margarethener Kalksandstein waren nur Würfel mit 50 x 50 x 50 mm vorhanden, weshalb der Versuch nicht an Prismen, wie beim Aflenzer Stein, durchgeführt werden konnte. Es wurden wiederum sechs Probekörper je Varietät verwendet und der Durchschnitt der Wasseraufnahme errechnet.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 9: Kurzzeit-Wasseraufnahme, St. Margarethener Kalksandstein Typ A
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 10: Langzeit- Wasseraufnahme, St. Margarethener Kalksandstein Typ A
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 11: Kurzzeit- Wasseraufnahme, St. Margarethener Kalksandstein Typ B
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 12: Langzeit- Wasseraufnahme, St. Margarethener Kalksandstein Typ B
Die bei 70°C bis zur Massenkonstanz getrockneten Proben wurden in eine Wanne gestellt. Als Proben kamen dabei Prismen mit 50 x 50 x 200 mm bzw. 50 x 50 x 160 mm zur Verwendung. Die Eintauchtiefe betrug 7 mm, wobei darauf zu achten ist, daß durch das Aufsaugen der Wasserspiegel nicht absinkt. Daher wurde das Wasservolumen relativ groß gewählt. Die Proben standen während des Versuches auf einem Quadratlochsieb mit 8 mm Maschenweite, um einen Wasserzutritt auch von unten zu gewährleisten.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 13: Versuchsanordnung kapillares Saugvermögen
Beim Aflenzer Stein Typ A ist sehr gut eine ausgeprägte Schichtung zu erkennen, wobei die Proben in Längsrichtung in 2 geringfügig unterschiedliche Schichten zu unterteilen sind. Eine davon hat eine geringeres Saugvermögen wodurch 2 unterschiedliche Feuchtigkeitshorizonte zu erkennen sind (Differenz ca. 2 mm). Einschlüsse wie Muscheln werden zuerst umwandert und dann langsam durchfeuchtet.
Die Verdunstung war deutlich daran zu sehen, daß der Feuchtigkeitshorizont an den Ecken langsamer stieg (höhere Verdunstung) als in der Mitte der Seitenflächen.
Die Raumtemperatur sowie die Wassertemperatur betrugen (20 ± 2)°C.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 14: Kapillares Saugvermögen, Aflenzer Kalksandstein Typ A
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 15: Kapillares Saugvermögen, Aflenzer Kalksandstein Typ B
Basierend auf den Werten von Strauch (1984) wurden folgende Diagramme erstellt. Er verwendete Prismen 50 x 50 x 160 mm. Die Eintauchtiefe betrug ebenfalls 7 mm. Die Kurve gibt den Mittelwert aus je drei Proben wieder.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 16: Kapillares Saugvermögen, St. Margarethener Kalksandstein Typ A
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 17: Kapillares Saugvermögen, St. Margarethener Kalksandstein Typ B
Die einaxiale Würfeldruckfestigkeit wurde an Würfeln mit 50 mm Seitenlänge bestimmt. Die Belastung erfolgte normal auf die sedimentäre Schichtung. Die Belastungsgeschwindigkeit betrug dabei 20 N/s. Die Prüfung wurde im trockenen und im wassersatten Zustand am Aflenzer Stein durchgeführt.
Folgende Beziehung liegt der Ermittlung der Würfeldruckfestigkeit zugrunde:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten [N/mm2]
Tabelle 4: Würfeldruckfestigkeiten, Aflenzer Kalksandstein Typ A, trocken
Die durchschnittliche Würfeldruckfestigkeit beträgt somit 16,41 N/mm2. Die Bruchform kam der Idealvorstellung zweier Kegelstümpfe nahe. Der Bruch trat plötzlich ein.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 5: Würfeldruckfestigkeiten, Aflenzer Kalksandstein Typ A, wassersatt
Die durchschnittliche Würfeldruckfestigkeit des Typs A im wassersatten Zustand beträgt 8,76 N/mm2, das heißt sie liegt 46,6 % unter der Festigkeit im trockenen Zustand. Das Bruchbild unterschied sich wesentlich von den trockenen Proben. Die Würfel verformten sich sehr stark, wobei sich die Seitenflächen nach außen wölbten. Innen zerbröselte der Stein, außen lagen die verwölbten Seitenflächen, mit mehreren Millimetern Wandstärke, vor.
Im Folgenden werden die Würfeldruckfestigkeiten des Aflenzer Steines Typ B wiedergegeben. Diese Versuche wurden von Ines Chalupar vor Beginn dieser Diplomarbeit im Labor des Instituts für Ingenieurgeologie durchgeführt. Leider lagen mir keine näheren Angaben zum Bruchbild vor. Die Probekörperabmessungen betrugen 50 x 50 x 50 mm.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 6: Würfeldruckfestigkeiten, Aflenzer Kalksandstein Typ B, trocken
Die durchschnittliche Würfeldruckfestigkeit des Typs B im trockenen Zustand liegt bei 10,23 N/mm2 und damit 6,18 N/mm2 unter der des Typs A. Dies entspricht einer Differenz von 37,7% bezogen auf Typ A.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 7: Würfeldruckfestigkeiten, Aflenzer Kalksandstein Typ B, wassersatt
Die durchschnittliche Würfeldruckfestigkeit des Typs B im wassersatten Zustand beträgt 7,76 N/mm2. Das heißt, sie liegt 24,14% unter der Festigkeit im trockenen Zustand.
Die Differenz zum Aflenzer Stein Typ A beträgt 1 N/mm2. Das bedeutet, im nassen Zustand ist die Festigkeit des Aflenzer Steins Typ B um 8,8% geringer als die von Typ A.
Zur einaxialen Würfeldruckfestigkeit des St. Margarethener Kalksandsteines gibt Strauch (1984) für den Typ A ein sDW = 31,47 N/mm2 an. Für den Typ B ist nur die einaxiale Zylinderdruckfestigkeit mit σDZ = 10,92 N/mm2 angegeben. Dabei wurden Probezylinder mit 50 mm Durchmesser und Höhe verwendet. STRAUCH (1984) stellt aber weiter fest, daß der Unterschied der Druckfestigkeit von der günstigeren Form des Zylinders, zur Würfelform, dem Faktor 1,2 entspricht. Das heißt, dividiert man die Werte der einaxialen Zylinderdruckfestigkeit durch 1,2 erhält man annähernd die Würfeldruckfestigkeit der Probekörper mit 50 mm Seitenlänge und Höhe. Daraus resultiert ein sDW = 10,92 / 1,2 = 9,10 N/mm2.
Die Bestimmung der Biegezugfestigkeit erfolgte gemäß ÖNORM B 3124 Teil 5. Es wurden allerdings Probekörper mit Abmessungen von 50 x 50 mm Kantenlänge und variierender Längsausdehnung verwendet. Nach der Norm müßte die Prismenlänge 4 x h, d.h. 20 cm und der Auflagerabstand ls = 3,5 x h = 17,5cm, betragen. Der Wert h entspricht hier der Kantenlänge der Prismen in vertikaler Richtung. Die vorgeschriebene Prismenlänge, war durch die teilweise sehr geringen Plattenbreiten, nicht bei jedem Gesteinstyp einhaltbar.
Die Proben wurden bei 70°C bis zur Massenkonstanz getrocknet und danach die Bruchlast FBZmax bei Mittenlast bestimmt. Die Ausrichtung der sedimentären Schichtung war dabei parallel zur Auflagerfläche. Die Belastungsgeschwindigkeit betrug 10 N/s.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.Widerstandsmoment [mm3]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.Biegemoment in Feldmitte [Nmm]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.Biegezugspannung bei Mittenlast [N/mm2]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 8: Biegezugfestigkeiten, Aflenzer Kalksandstein Typ A, ls = 140 mm
Der Durchschnitt aus diesen 6 Versuchen ergibt sBZ = 5,15 N/mm2.
Die nun folgende Tabelle stammt aus einem Bericht von Ines Chalupar, der am Institut für Ingenieurgeologie erstellt wurde.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 9: Biegezugfestigkeiten, Aflenzer Kalksandstein Typ B, ls = 175 mm
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