Kennwertprognosen in der Natursteinindustrie als Hilfestellung für Erkundung und Qualitätssicherung

Danksagungen 6
1. Einleitung und Zielsetzung 9
2. Grundlagen 10
2.1 Herstellung von Gesteinskörnungen 10
2.1.1 Bohren 10
2.1.2 Sprengen 11
2.1.3 Zerkleinerung 12
2.1.4 Klassieren 13
2.2 Prüfung von Gesteinskörnungen (TL Gestein-StB 04 – Aktuelles Regelwerk) 14
2.3 Wissensstand zum Thema 16
2.3.1 Aktuelle Prüfmethoden zur Bestimmung des Widerstands gegen Zertrümmerung 16
2.3.2 Prognose des Widerstands gegen Zertrümmerung 18
2.3.3 Verwendung von Bohrklein zur Bestimmung von Gesteinskennwerten 19
2.4 Zielsetzung der Untersuchungen auf der Basis des Kenntnisstands 19
3. Herkunft der untersuchten Gesteine 21
3.1 Geologischer Rahmen 22
3.1.1 Varisziden Mitteleuropas 22
3.1.2 Thüringer Wald 25
3.1.3 Nordwestsächsischer Vulkanitkomplex 25
3.1.4 Fränkische Alb 26
3.1.5 Tertiäre Vulkangebiete 28
3.2 Geographie und Geologie der Standorte 30
3.2.1 Windischeschenbach (Amphibolit) 30
3.2.2 Loitsch (Diabas) 32
3.2.3 Wotzdorf (Granodiorit) 34
3.2.4 Hirschbach (Porphyrit) 35
3.2.5 Lüptitz (Quarzporphyr) 38
3.2.6 Großsteinberg (Quarzporphyr) 38
3.2.7 Vilshofen (Kalkstein) 40
3.2.8 Hirschentanz (Basalt) 41
3.2.9 Zeilberg (Basalt) 43
3.3 Petrographische Charakteristik 45
3.4 Probenherstellung 49
3.4.1 Bohrklein 49
3.4.2 Produktionskörnungen 49
3.4.3 Prüfzylinder 50
4. Gesteinstechnische Untersuchungen 50
4.1 Gesteinskörnungen 50
4.1.1 Kornform 51
4.1.2 Los-Angeles-Versuch 51
4.1.3 Schlagversuch 51
4.1.4 LCPC-Versuch 52
4.1.5 Kochversuch 53
4.2 Zylinder 53
4.2.1 Rohdichte 54
4.2.2 Ultraschall 54
4.2.3 Einaxiale Druckfestigkeit 54
4.2.4 Kochversuch 54
5. Ergebnisse 55
5.1 Gesteinskörnungen 55
5.1.1 Kornform 55
5.1.2 Los-Angeles-Versuch 57
5.1.3 Schlagversuch 57
5.1.4 LCPC-Versuch 58
5.1.5 Kochversuch 60
5.2 Zylinder 62
5.2.1 Rohdichte 61
5.2.2 Ultraschall 62
5.2.3 Einaxiale Druckfestigkeit 62
5.2.4 Kochversuch 63
6. Diskussion und Interpretation der Ergebnisse 64
6.1 Gesteinskörnungen 64
6.1.1 Hinweise zur Prüfmethodik 64
6.1.2 Einfluss der verwendeten Prüfmethode 66
6.1.3 Einfluss der geprüften Korngruppe 67
6.2 Zylinder 69
6.3 Prognose der Standardkennwerte LA_10/14 und SZ_8/12 70
6.4 Empfehlungen für eine realistische Kennwertprognose 73
6.4.1 Geeignete Prüfmethoden 73
6.4.2 Machbarkeit in der Praxis 73
7. Beispiele für die Umsetzung der Erkenntnisse in der Praxis 75
7.1 Prognose von Schlagzertrümmerungswerten durch Zylinderkennwerte 75
7.1.1 Untersuchungen 75
7.1.2 Ergebnisse 75
7.1.3 Schlussfolgerungen und Empfehlungen 76
7.2 Nachweis von Sonnenbrand von Basalten 77
7.2.1 Kenntnisstand zum Sonnenbrand von Basalten 77
7.2.2 Untersuchungen 79
7.2.3 Ergebnisse 79
7.2.4 Schlussfolgerungen und Empfehlungen 80
8. Ausblick 81
9. Quellenverzeichnis 83
9.1 Publikationen und Berichte 83
9.2 Normen, Regelwerke und Empfehlungen 87
9.3 Internetquellen 88
9.4 Kartenmaterial 88
Anhang 89
A 1: Klimadaten der Untersuchungsstandorte 89
A 2: Ergebnisse der Röntgenfluoreszenzanalysen 90
A 3: Ergebnisse der Untersuchungen an den Gesteinskörnungen 91
A 3.1: Los-Angeles-Versuch 91
A 3.2: Schlagversuch 92
A 3.3: Kochversuch 94
A 3.4: LCPC-Versuch 95
A 4: Ergebnisse der Untersuchungen an den Prüfzylindern 96
A 4.1: Zusammenstellung von Gesteinskennwerten der Prüfzylinder 96
A 4.2: Bestimmung der p-Wellen-Geschwindigkeit (Einzelmessungen) 98
A 5: Datenbasis für die Zusatzkapitel 7.1 und 7.2 105
A 5.1: Prognose von Schlagzertrümmerungswerten durch Zylinderkennwerte 105
A 5.2: Nachweis von Sonnenbrand von Basalten 106

Wirtschaftliche, genehmigungsrechtliche und naturschutzfachliche Rahmenbedingungen führen zu zunehmend schwierigeren Umsetzbarkeiten in der Gewinnung von natürlichen Gesteinskörnungen in Steinbruchbetrieben. Aus diesem Grund zeichnen sich moderne Betriebe durch eine langfristige rohstoffliche und planerische Sicherheit aus. Das Rohstoffpotential einer Lagerstätte kann mit Hilfe einer detaillierten Erkundung von Vorrat, Qualität und räumlicher Verteilung des Zielgesteins ermittelt werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Methoden zur Vereinfachung und Verbesserung der Erkundungsarbeit, v. a. hinsichtlich der zu prognostizierenden Qualitäten des Rohstoffs. Die Eignung von Hartgesteinskörnungen für den Einsatz als ungebundene Körnung oder als Zuschlag für Beton oder Asphalt wird vorwiegend durch die Festigkeit als lose Gesteinskörnung definiert. Dadurch ergibt sich letztlich auch die Verkaufsfähigkeit eines Materials. Die Festigkeitseigenschaften von groben Gesteinskörnungen werden u. a. definiert durch den Los-Angeles-Koeffizienten LA_10/14 und den Schlagzertrümmerungswert SZ_8/12. Für die Erkundung bedeutet dies, dass es gelingen muss, die bei der Rohstoffsuche ermittelbaren Gesteinseigenschaften auf die aufbereitungsgesteuerten Kennwerte der Gesteinskörnung zu übertragen.

In Hartgesteinstagebauen erfolgt der Abbau in der Regel mittels Bohren und Sprengen. Die Bohrarbeit wird durch das drehschlagende Lufthebebohrverfahren (Hammerbohrungen) verrichtet, welches sich durch einen hohen Bohrfortschritt auch in harten Formationen und durch zielgenaues Bohren auszeichnet. Diese Eigenschaften führen auch dazu, das Verfahren in der Erkundungsarbeit einzusetzen. Dadurch lassen sich deutliche Kostenvorteile gegenüber einer Kernbohrung erzielen. In der Praxis wird in der Erkundung eine große Anzahl an Hammerbohrungen eingesetzt. Zielgerichtet können dann Kernbohrungen zur Klärung von Detailproblemen abgeteuft werden. Für die realistische Prognose der tatsächlich erreichbaren Festigkeiten von Gesteinskörnungen stehen also zahlreiche Bohrchips aus den Hammerbohrungen sowie größere Gesteinskörper aus Kartierung (Blöcke, Lesesteine) und Kernbohrungen (Bohrkern) zur Verfügung.

Zur Klärung der Machbarkeit der Kennwertprognose wurde ein umfangreiches Versuchsprogramm in neun Steinbrüchen durchgeführt. Beteiligt waren Amphibolit, Diabas, Basalt, (Quarz-) Porphyr, Granodiorit und Kalkstein. Material aus den Sprenglochbohrungen wurde verglichen mit Gesteinsstücken aus dem gesprengten Haufwerk und mit der fertigen Verkaufskörnung. Für die Körnungen aus Produktion und Bohrklein wurden unterschiedliche Korngrößen mit verschiedenen Prüfmethoden untersucht. Stets wurde die Kornform als wesentliches Einflussmerkmal auf die Festigkeit einer Körnung bestimmt. An den Bohrklein-Körnungen wurden Los-Angeles-Koeffizient, Schlagzertrümmerungswert, LCPC-Abrasivität und -Brechbarkeit ermittelt. Die Produktionskörnungen wurden dem Los-Angeles- und Schlagversuch unterzogen. An einer feineren Produktionskörnung wurde zusätzlich der LCPC-Versuch durchgeführt. Aus den Haufwerksproben wurden Prüfzylinder gebohrt, an denen Rohdichte, Wasseraufnahme, einaxiale Druckfestigkeit und die p-Wellen-Geschwindigkeit gemessen wurden. Um eine realistische Einschätzung der Prüfergebnisse zu ermöglichen, wurden die petrographischen Eigenschaften des Rohstoffs und die geologischen Verhältnisse der Lagerstätten in die Untersuchungen einbezogen.

Der Los-Angeles-Koeffizient LA_10/14 lässt sich mit verschiedenen Möglichkeiten prognostizieren. So wurden brauchbare Korrelationen zu Los-Angeles-Werten an feinkörnigerem Material erzielt. Weiter erwies sich der LCPC-Brechbarkeitskoeffizient als geeignet zur Prognose von LA_10/14. Übereinstimmungen zeigten sich mit den Kennwerten, die an Prüfzylindern bestimmt wurden. Die einaxiale Druckfestigkeit und die Geschwindigkeit der p-Welle waren indirekt proportional zu den LA_10/14-Kennwerten. Rohdichte und Wasseraufnahme zeigten eine prinzipielle Korrelation. Eine Prognose des Los-Angeles-Koeffizienten wäre aufgrund der Streuung allerdings zu fehlerbehaftet. Als nicht geeignet zur Prognose von LA_10/14 stellte sich der Schlagzertrümmerungswert an feinen Körnungen heraus. Je kleinkörniger das Prüfgut, desto weniger selektiv waren die Prüfergebnisse. Weiter war die LCPC-Abrasivität nicht vergleichbar. Die Prognose des Schlagzertrümmerungswerts SZ_8/12 gelingt im Vergleich zum Los-Angeles-Koeffizienten LA_10/14 deutlich schwieriger. Eine hohe Bestimmtheit zeigt sich lediglich mit den Ergebnissen der Ultraschallmessung an den Prüfzylindern. Brauchbare Korrelationen erbrachten die einaxiale Druckfestigkeit, die LCPC-Brechbarkeit und der Los-Angeles-Koeffizient. Keine prognosefähigen Beziehungen konnten mit den Schlagzertrümmerungswerten und LCPC-Abrasivitäten am Bohrklein sowie mit der Rohdichte und Wasseraufnahme hergestellt werden, wenngleich sich prinzipielle Korrelationen einstellten.

Bei der Kennwertprognose sind auf der Basis dieser Arbeit folgende Aspekte zu beachten: Bei Bohrklein eignet sich in der vorliegenden Methodik nur das grobe Material in den Körnungen 4/6,3 mm und 5/8 mm für die Festigkeitsprognose. Bei feineren Prüfkörnungen (hier: 2/5 mm) erweisen sich sämtliche Kennwerte als zu wenig selektiv. Die besten Korrelationen ergeben sich, wenn die Eigenschaften des Prüfkorns bzw. des Prüfkörpers der zu vergleichenden Untersuchungsmethoden ähnlich sind. Zum Beispiel ist ein Vergleich eines Prüfzylindes mit einer relativ feinen Körnung in feinkörnigen bis dichten Gesteinen besser möglich, als in gröberem Material. Bei körnigen Gesteinen wirken im Bohrklein die freigelegten Mineralkorngrenzen festigkeitsschwächend. In feinkörnigen Gesteinen ergeben sich diesbezüglich keine Unterschiede. Dieses Prinzip gilt auch für Trennflächen, die meist bei Prüfzylindern deutlicher wirksam werden, als in der Körnung, wo sie in der Regel schon aufgebrochen sind. Für die Umsetzung der Erkenntnisse in der praktischen Anwendung spielen ökonomische Gesichtspunkte eine wesentliche Rolle, d. h. geringe Probenmengen, wenige Einzelversuche, kurze Versuchsdauer und überschaubarer Auswertungsaufwand sind bei gleichzeitig ausreichend hoher Aussagekraft anzustreben. Das größte Vereinfachungspotential zeigen die Versuche an Gesteinskörnungen. So sind beim Schlagversuch ein Einzelversuch (statt drei) sowie ein Analysensieb (statt fünf) ausreichend. Weitere Vereinfachungen ergeben sich durch Trocken- statt Nasssiebungen bei Los-Angeles- und LCPC-Versuch. Bei den Tests an Prüfzylindern ist eine Reduzierung des Umfangs (Anzahl der Einzelversuche) kaum möglich, ohne die Repräsentativität der Versuchsreihe zu gefährden.

Als Spezialfall in der behandelten Thematik wurde das Festigkeitsverhalten von Sonnenbrennerbasalt näher beleuchtet. Dabei wurde herausgearbeitet, dass die Schwächung des Gesteinsverbands durch den Sonnenbrandzerfall maximal bis zu einer »kritischen Korngröße« erfolgt, die dem Abstand der hellen Flecken zueinander entspricht. Darunter bleiben die Zerfallskörper weitgehend stabil. Diese Erkenntnis sollte in die Beurteilung von normgemäß durchgeführten Koch- und Festigkeitsversuchen an Basaltkörnungen zur Einschätzung des Sonnenbrandzerfalls einfließen. Hinsichtlich der Quantifizierung der Entfestigung durch Sonnenbrand wurde an Prüfzylindern nachgewiesen, dass der Nachweis der Gefügeauflockerung am besten durch die Verringerung der p-Wellen-Geschwindigkeit vor und nach dem Kochversuch gelingt.