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Blöchl-Wirts, Barbara; Kirchner, Dirk; Stadlbauer, Erwin: Die hygrische Dehnung von Baumberger Kalksandstein - tonmineralogische und gesteinsphysikalische Aspekte
DOI Seite / Zitierlink:https://doi.org/10.11588/diglit.51146#0049
Gestein
Tonmineral-
gehalt
Tonmineral-
phasen1
Quellmaß
[mm/m]
Porenvolumen-
gehalt2
davon
Mikroporen2
innere
Oberfläche2
Meller Sandstein
ca. 11 %
1,2, 3, 4
0,5-1,17
8,00 Vol%
n. b.
n. b.
Baumberger
Kalksandstein
ca. 10%
2, 3, 4, 6
0,28 - >2,5
19,08 Vol%
28,8 Vol%
9,23 g/mm
Ibbenbührer
Sandstein
ca. 7%
2, 3, 4, 5
0,65 - 0,75
16,27 Vol%
17,0 Vol%
2,94 g/mm
Deister Sandstein
ca. 6%
2, 3, 4, 6
0,25 - 0,32
15,01 Vol%
4,0 Vol%
n. b.
1 Tonmineralphasen:
1 = Chlorit, 2 = lllit, 3 = Kaolinit, 4 = Vermiculit, 5 = Montmorillonit, 6 = Obergangsminerale,
4-6 = innerkristallin quellende Tonminerale, deren Gehalt in der Reihenfolge Baumberger Kalk-, Meller-, Ibbenbührener-, Deister Sandstein abnimmt.
2 aus Grimm12
Tabelle Gesteinskennwerte der tonmineralhaltigen Sandsteine.
- Meller Schilfsandstein
(mittlerer Keuper östlich von Osnabrück),
- Deistersandstein
(Unterkreide, Völksen/südlich von Hannover),
- Ibbenbürener Sandstein
(Oberkarbon westlich von Osnabrück).
Für die Auswahl der Gesteine waren in erster Linie die Ge-
steinseigenschaften, vor allem in Bezug auf den unter-
schiedlichen Tonmineralgehalt und den Porenraum aus-
schlaggebend. Eine Anzahl diesbezüglicher Kennwerte ist
in der Tabelle zusammengestellt, weitere petrographische
und physikalische Angaben sind in12 enthalten.
Die Untersuchung in Hannover umfaßte Dehnungsprü-
fungen bei verschiedenen Luftfeuchtigkeiten, in reinem
Wasser und Salzlösungen unterschiedlicher Zusammenset-
zung und Konzentration. Die Dehnungsmessungen wur-
den nach DIN 5245013 anhand des Sony Dilatometers (Typ
U30) mit 1 pm Ablesegenauigkeit durchgeführt. Die Probe-
körper bestanden aus bruchfrischem Material der Firma
Pressbau/Oberhausen, die jeweils parallel und senkrecht
zur Gesteinsschichtung in Prismen von 40x40x60 mm Kan-
tenlänge gesägt wurden. Ein mit Silikonkautschuk aufge-
klebter Objektträger auf der Kopfseite der Prismen schafft
die notwendige plane Oberfläche.
Am Zollern-Institut wurden Dehnunsmessungen so-
wohl in Wasser, in Salzlösungen als auch an vorher mit
Kieselsäureester gefestigten Probekörpern aus Baumber-
ger Kalksandstein mit einem Dilatometer der Fa. Bähr (Typ
801 S) durchgeführt. Als Proben wurden Prismen von
10x10x40 mm Kantenlänge aus einem größerem Würfel
bruchfrischen Materials der Fa. Pressbau verwendet, die
ebenfalls senkrecht bzw. parallel zur Schichtung orientiert
gesägt waren. Diese Gesteinsprismen wurden in eine Meß-
vorrichtung mit induktivem Wegaufnehmer eingespannt.
Über einen Meßverstärker und nachgeschaltetem Interface
konnte der Quellvorgang auf einem Rechner zeitlich auf-
gelöst dargestellt werden. Abbildung 1 zeigt den schema-
tischen Meßaufbau.
Um die Schwankungsbreite der schichtspezifischen
Dehnungsbeträge innerhalb des Gesteins zu prüfen, wurde
ein exakt 100x50x30 cm großer Block in 120 Stangen
(5x5x30 cm) geschnitten. Von den Vorder- und Rückseiten
dieser Stangen wurde jeweils eine Probe entnommen und
deren hygrische Dehnung bestimmt.
• Ergebnisse
Dehnungsmessungen in Wasser
Der Baumberger Kalksandstein weist kein einheitliches
Quellverhalten auf. Der Vergleich senkrecht und parallel
zur Schichtung zeigt starke Differenzen im Quellbetrag.
Abbildung 2 verdeutlicht das unterschiedliche Dehnungs-
verhalten anhand von drei verschiedenen Proben A, B, und
C; den größten Unterschied zeigen die Proben A und C
senkrecht zur Schichtung mit Werten von ca. 0,5 mm/m
(A) und ca. 1,6 mm/m (C).
In Abbildung 3 ist ein Beispielprofil durch einen Ge-
steinsblock wiedergegeben, der die starke Schwankungs-
breite innerhalb des Gesteines verdeutlicht. Im Bereich we-
niger Zentimeter treten bei gleicher Orientierung Deh-
nungsschwankungen zwischen < 0,5 und > 2,5 mm/m
auf. Je größer die Abmessungen der Prüfkörper in Meß-
richtung sind, desto stärker erfolgt eine Mittlung der un-
terschiedlichen Dehnungswerte über die Meßstrecke.
Je höher der Tonmineralanteil eines Gesteins, desto
größer ist in der Regel auch der Anteil an Mikroporen im
Porenraum, die wiederum oft eine Erhöhung der inneren
Oberfläche bedingen (Tab.). In den Mikroporen findet bei
steigenden Luftfeuchtigkeiten vermehrt Kapillarkondensa-
tion statt. Das bedeutet, daß die Poren im Bereich kleiner
100 % relativer Luftfeuchtigkeit wassergesättigt sein kön-
nen. Zusätzlich werden in diesem Feuchtebereich bereits
vermehrt Wassermoleküle in die Zwischenschichten inner-
kristallin quellfähiger Tonminerale eingelagert. Der Baum-
berger Kalksandstein besitzt zwar ca. 1 % weniger Tonmi-
nerale als der Meller Sandstein, dafür aber weitaus mehr
Anteile an quellfähigen Tonmineralphasen (Tab.). Daher
zeigt der Baumberger Kalksandstein in Abbildung 4 eine
noch höhere Sorptionsfeuchte als der Meller Sandstein.
Mit steigendem Tonmineralanteil (z.B. Meller Sandstein
11 %, Baumberger Kalksandstein 10 %, Ibbenbürener
Sandstein 7 %, Deistersandstein 6 %) und Gehalten an
quellfähigen Tonmineralen nimmt die Sorptionsfeuchte bei
97 % relativer Luftfeuchtigkeit zu.
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Grundlagen
Tonmineral-
gehalt
Tonmineral-
phasen1
Quellmaß
[mm/m]
Porenvolumen-
gehalt2
davon
Mikroporen2
innere
Oberfläche2
Meller Sandstein
ca. 11 %
1,2, 3, 4
0,5-1,17
8,00 Vol%
n. b.
n. b.
Baumberger
Kalksandstein
ca. 10%
2, 3, 4, 6
0,28 - >2,5
19,08 Vol%
28,8 Vol%
9,23 g/mm
Ibbenbührer
Sandstein
ca. 7%
2, 3, 4, 5
0,65 - 0,75
16,27 Vol%
17,0 Vol%
2,94 g/mm
Deister Sandstein
ca. 6%
2, 3, 4, 6
0,25 - 0,32
15,01 Vol%
4,0 Vol%
n. b.
1 Tonmineralphasen:
1 = Chlorit, 2 = lllit, 3 = Kaolinit, 4 = Vermiculit, 5 = Montmorillonit, 6 = Obergangsminerale,
4-6 = innerkristallin quellende Tonminerale, deren Gehalt in der Reihenfolge Baumberger Kalk-, Meller-, Ibbenbührener-, Deister Sandstein abnimmt.
2 aus Grimm12
Tabelle Gesteinskennwerte der tonmineralhaltigen Sandsteine.
- Meller Schilfsandstein
(mittlerer Keuper östlich von Osnabrück),
- Deistersandstein
(Unterkreide, Völksen/südlich von Hannover),
- Ibbenbürener Sandstein
(Oberkarbon westlich von Osnabrück).
Für die Auswahl der Gesteine waren in erster Linie die Ge-
steinseigenschaften, vor allem in Bezug auf den unter-
schiedlichen Tonmineralgehalt und den Porenraum aus-
schlaggebend. Eine Anzahl diesbezüglicher Kennwerte ist
in der Tabelle zusammengestellt, weitere petrographische
und physikalische Angaben sind in12 enthalten.
Die Untersuchung in Hannover umfaßte Dehnungsprü-
fungen bei verschiedenen Luftfeuchtigkeiten, in reinem
Wasser und Salzlösungen unterschiedlicher Zusammenset-
zung und Konzentration. Die Dehnungsmessungen wur-
den nach DIN 5245013 anhand des Sony Dilatometers (Typ
U30) mit 1 pm Ablesegenauigkeit durchgeführt. Die Probe-
körper bestanden aus bruchfrischem Material der Firma
Pressbau/Oberhausen, die jeweils parallel und senkrecht
zur Gesteinsschichtung in Prismen von 40x40x60 mm Kan-
tenlänge gesägt wurden. Ein mit Silikonkautschuk aufge-
klebter Objektträger auf der Kopfseite der Prismen schafft
die notwendige plane Oberfläche.
Am Zollern-Institut wurden Dehnunsmessungen so-
wohl in Wasser, in Salzlösungen als auch an vorher mit
Kieselsäureester gefestigten Probekörpern aus Baumber-
ger Kalksandstein mit einem Dilatometer der Fa. Bähr (Typ
801 S) durchgeführt. Als Proben wurden Prismen von
10x10x40 mm Kantenlänge aus einem größerem Würfel
bruchfrischen Materials der Fa. Pressbau verwendet, die
ebenfalls senkrecht bzw. parallel zur Schichtung orientiert
gesägt waren. Diese Gesteinsprismen wurden in eine Meß-
vorrichtung mit induktivem Wegaufnehmer eingespannt.
Über einen Meßverstärker und nachgeschaltetem Interface
konnte der Quellvorgang auf einem Rechner zeitlich auf-
gelöst dargestellt werden. Abbildung 1 zeigt den schema-
tischen Meßaufbau.
Um die Schwankungsbreite der schichtspezifischen
Dehnungsbeträge innerhalb des Gesteins zu prüfen, wurde
ein exakt 100x50x30 cm großer Block in 120 Stangen
(5x5x30 cm) geschnitten. Von den Vorder- und Rückseiten
dieser Stangen wurde jeweils eine Probe entnommen und
deren hygrische Dehnung bestimmt.
• Ergebnisse
Dehnungsmessungen in Wasser
Der Baumberger Kalksandstein weist kein einheitliches
Quellverhalten auf. Der Vergleich senkrecht und parallel
zur Schichtung zeigt starke Differenzen im Quellbetrag.
Abbildung 2 verdeutlicht das unterschiedliche Dehnungs-
verhalten anhand von drei verschiedenen Proben A, B, und
C; den größten Unterschied zeigen die Proben A und C
senkrecht zur Schichtung mit Werten von ca. 0,5 mm/m
(A) und ca. 1,6 mm/m (C).
In Abbildung 3 ist ein Beispielprofil durch einen Ge-
steinsblock wiedergegeben, der die starke Schwankungs-
breite innerhalb des Gesteines verdeutlicht. Im Bereich we-
niger Zentimeter treten bei gleicher Orientierung Deh-
nungsschwankungen zwischen < 0,5 und > 2,5 mm/m
auf. Je größer die Abmessungen der Prüfkörper in Meß-
richtung sind, desto stärker erfolgt eine Mittlung der un-
terschiedlichen Dehnungswerte über die Meßstrecke.
Je höher der Tonmineralanteil eines Gesteins, desto
größer ist in der Regel auch der Anteil an Mikroporen im
Porenraum, die wiederum oft eine Erhöhung der inneren
Oberfläche bedingen (Tab.). In den Mikroporen findet bei
steigenden Luftfeuchtigkeiten vermehrt Kapillarkondensa-
tion statt. Das bedeutet, daß die Poren im Bereich kleiner
100 % relativer Luftfeuchtigkeit wassergesättigt sein kön-
nen. Zusätzlich werden in diesem Feuchtebereich bereits
vermehrt Wassermoleküle in die Zwischenschichten inner-
kristallin quellfähiger Tonminerale eingelagert. Der Baum-
berger Kalksandstein besitzt zwar ca. 1 % weniger Tonmi-
nerale als der Meller Sandstein, dafür aber weitaus mehr
Anteile an quellfähigen Tonmineralphasen (Tab.). Daher
zeigt der Baumberger Kalksandstein in Abbildung 4 eine
noch höhere Sorptionsfeuchte als der Meller Sandstein.
Mit steigendem Tonmineralanteil (z.B. Meller Sandstein
11 %, Baumberger Kalksandstein 10 %, Ibbenbürener
Sandstein 7 %, Deistersandstein 6 %) und Gehalten an
quellfähigen Tonmineralen nimmt die Sorptionsfeuchte bei
97 % relativer Luftfeuchtigkeit zu.
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Grundlagen