Hartgesteine der Schweiz

03.05.2010
Schweizerische
Geotechnische Kommission
ETH Zürich
CH 8092 Zürich
Hartgesteine der Schweiz
Hardstones of Switzerland
Vorlesung: Applied mineralogy & non-metallic resources II
Montag, 3. Mai 2010
Christoph Bärtschi, cand. Dr. sc. ETH Zürich
Background Information I
PhD-Thesis...
...about
of Switzerland.
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Background Information II
Conflict of Interest in «Hardstone-Business»
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Background Information III
•
Investigation of potential hardrock deposits. Focus on petrology and technical
testing methods. Special focus ond siliceous limestones.
•
Interrelationship of petrology and technical results and distinguish the
hardrock properites of siliceous limestone varieties.
•
Fundamental scientific study for stakeholders (e.g. BAFU, ARE,
Hartsteinindustrie, Abnehmer, Umweltverbände) and further experts (eg.
Bundesgericht/federal court).
Supervisor:
1. Co-Supervisor:
2. Co-Supervisor:
Prof. Max W. Schmidt (IGP)
Dr. R. Kündig (SGTK)
Dr. C. Thalmann (B-I-G)
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Content of Hard Minerals (Mohs > 5.5)
1) Study of thin sections
2) Analytical tools: eg.
X-ray fluorescence (XRF)
X-ray powder diffractometry (XRD)
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Requirements on Hardstones
Definition of F. de Quervain (1969) is still in use (standards) ...but (and) nowadays
customers have more requirements based on the application of hardstone
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Requirements based on application
Ballast for railway tracks
Diverse weiterführende Ansprüche
betreffend der Qualität von Schotter:
Widerstand gegen Zertrümmerung
Druckfestigkeit am Haufwerk
Dauerhaftigkeit
Empfindliche Gesteinskörnungen etc.
Roads
Poliereigenschaften: Griffigkeit (grip)
Widerstand gegen Zertrümmerung
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Test Methods for Determination of Technical Properties
•
Point Load Index (PLI)
•
Uniaxial compressive strength
•
Micro-Deval-Test (abrasion test)
•
Cerchar-Test (abrasion test)
•
Fragmentation test (impact test)
•
Los-Angeles-Test (impact-abrasion test)
•
Polished Stone Value-Test (PSV) (polishing test)
•
LCPC-Test (abrasion & refractivity test)
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Schlag- und Abriebprüfung (Los-Angeles-Test) EN1097-2/SN
Test for mechanical and physical properties of aggregates –
Methods for the determination of resistance to fragmentation
• 5000g ±5g testing material (11–
• 31–33 rotations/min
Limits for railway ballast:
14mm or LA-Value
31.5–50mm)
from fraction <1.6mm
quality: LA<16
• Total 500 or 1000 first
rotations
second quality: LA<24
• 11/12 steelballs (4690 or 5230g)
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Polierbarkeit (Polierwert, PSV) EN1097-8
Test for mechanical and physical properties of aggregates – Determination of the polished
stone value.
Two steps:
1) Polishing sample (grainsize 7.2<x<10mm). Rubber
wheel (320r/min), coarse and fine corundum, water,
reference material. 2x180min.
2) Deterimation of grip (with pendular)
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Abrasivitäts- und Brechbarkeitsversuch AFNOR P18-579
Test for mechanical and physical properties of aggregates – Determination of abrasion and
refractivity. (New testing method instead of LA-test? -> PhD)
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Further Tests
Prüfverfahren für thermische Eigenschaften und Verwitterungsbeständigkeit von
Gesteinskörnungen (EN 1357): Frostbeständigkeit, Kristallisierversuche
Anzahl Frost/Tau-Wechsel
(Simulation der Witterung)
Tränkung mit NaCl Lösung
(Simulation Winterdienst)
+ Mikroskopie
+ Erfahrungswerte
aus: F. de Quervain 1967 und 1969
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Application of Hardstone
Asphalt covering
Ballast for railway tracks
Concrete
(as aggregate)
Wasserbausteine
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High-tech Application of Hardstone
Mineralguss (Polymer-concrete)
e.g.: RHENOCAST® (Schneeberger)
Epoxy resin
+ Hardstone (Silicous Limestone)
Mineralguss
Maschinenstruktur aus vibrationsdämpfendem Mineralguss
[Quelle: Schneeberger: Mineralguss RHENOCAST– Baustein für kreative Lösungen]
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Active Hardstone-Quarries 2009
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8 Kieselkalksteinbrüche
1 Flyschsandsteinbruch
1 Glaukonitsandsteinbruch
1 Molassesandsteinbruch
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Annual Hardstone Production I
Source: Association of Swiss Hardstone Quarries (VSH)
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Annual Hardstone-Production II
Switzerland is more or less selfsustaining in hardstone-products
5–10% are imported from
neighboring countries
VSH-members produce
95% of swiss hardstone- products
Production of ~ 2.2 mio. t/y 810000m3/y
Source: VSH
3x volume of ETH main-building
>65% siliceous limestones
Most important hardstone in Switzerland
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Rock used for hardstone products
Four types of rock:
- silicous limestones
- glauconitic sandstones
- flysch sandstones
- molasse sandstones
Foreign coutries:
- Basalt
- Rhyolite
- Microgranites
- Dolerite
- Grauwacke
- etc.
Potential hardstone deposits that could be used for ballast and split. GUA of SGTK, 2010.
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Kieselkalke
• schwarz-graue Gesteine,
scharfkantiger Bruch
• Skelett von Kieselsubstanz
zwischen Kalzit, Quarz und
Feldspatkörnern
• Verkieselung submikroskopisch
• 5–40% SiO2 Gehalt (max. ca. 50)
• Kalkmasse noch spätig, kristallin
(nicht dicht)
• Fossilien, Foraminiferen,
Spongiennadeln, Echinodermenbruchstücke
• mit HCl zuerst stark, dann
schwach aufbrausend
(Gesteinsform bleibt!)
• sehr druckfest: ca. 160–300 MPa
• Raumgewicht: ca. 2.65
• Porosität (abs.): 1–2%
• Wasseraufnahme: 0.01–0.08%
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Deposits of Siliceous Limestone-Varieties in CH
Source: SGTK/Bases
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Siliceous Limestone Varieties in Switzerland
•
Hauterivian siliceous limestone (lower Cretaceous)
•
Valanginien siliceous limestone (lower Cretaceous)
•
Siliceous limestones from préalpes médianes (western-switzerland), lower
Jurassic
•
Siliceous limestones from lombardic alps (southern alps and northern Italy, lower
Jurassic
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SEM-Pictures of Siliceous Limestone
SEM-pictures of the surface of a siliceous limestone etched in dilutile hydrochloric acid.
Origin of the sample: Helvetische Kieselkalk Formation and Moltrasio Formation
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Lithostratigraphic Profile of
«Helvetische Kieselkalk
Formation»
Siliceous limestone of
Moltrasio Formation
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Glaukonitsandsteine
• dunkle grün-graue Gesteine, z.T.
fast schwarz, Qz-reiche Varietäten
mit öligem Glanz und z.T.
muscheligem Bruch
• durch Verwitterung -> fleckige
Bräunung (Glaukonit)
• sehr quarzreiche Sandsteine
75–90% Quarzkörner
• Quarzkörner z.T. direkt verwachsen,
z.T durch Bindesubstanz verkittet
• Bindesubstanz aus Kalkspat,
Glaukonit und feinstkörniger Masse
(z.T. amorphe Kieselmasse)
• Direkte Verwachsung der Quarzkörner
• Korngestütztes Gefüge
(Bindesubstanz trägt nicht
wesentlich zur Festigkeit bei)
• sehr druckfest: ca. 230–300 MPa
• Raumgewicht: ca. 2.68
• Porosität (abs.): 1–3%
• Wasseraufnahme: unbedeutend
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Flyschsandsteine
• hell- bis dunkelgraue Gesteine von
stark wechselndem Korn
• kalkiges Bindemittel, gut
kristallisiert, rel. grobkristallin, kann
10–40% Anteil erreichen
• grosser Quarzkorn-Anteil,
daneben Feldspat, Glimmer
• druckfest: ca. 170–260 MPa
• Raumgewicht: ca. 2.60–2.69
• Porosität (abs.): 1.5–3%
• Wasseraufnahme: 0.1–0.2
• Rauhigkeit durch harte
Quarzkörner und weicherem
Bindemittel
• Varietäten:
Quarzitische Sandsteine mit bis zu
98% SiO2
Sandsteine mit vorwiegend
vulkanischem Trümmermaterial
(Taveyannaz Sandstein)
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Molassesandsteine
• Hellgrau bis graues Gestein
• Quarzgehalt zwischen 25 und 30%
• Feldspat, Kalzit, Erze, Glimmer
und weitere Minerale
• druckfest: ca. 210–240 MPa
• Los Angeles Koeffizient: 11–15
• Polierwiderstand (PSV) 60–62
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