Schiefer als Werkstein: Entstehung, Eigenschaften, Vorkommen, Abbau 9783662660447, 9783662660454, 366266044X

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Schiefer als Werkstein

Jörn Wichert

Entstehung, Eigenschaften, Vorkommen, Abbau

Schiefer als Werkstein

Jörn Wichert

Schiefer als Werkstein Entstehung, Eigenschaften, Vorkommen, Abbau

Jörn Wichert Institut für Geotechnik TU Bergakademie Freiberg Freiberg, Deutschland

ISBN 978-3-662-66044-7 ISBN 978-3-662-66045-4  (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-66045-4 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer-Verlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2023 Deutsche überarbeitete Übersetzung der 1. englischen Originalauflage „Slate as Dimension Stone“, erschienen bei Springer Nature Switzerland AG, 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Covermotiv: © Jörn Wichert Covergestaltung: deblik, Berlin Planung/Lektorat: Simon Shah-Rohlfs Springer ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer ­Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany

Vorwort

Die Idee zu diesem Buch entstand etwa im Jahr 2005. Nachdem ich einige Jahre als Geologe in der Schieferindustrie gearbeitet hatte, stellte ich fest, dass im Gegensatz zu vielen anderen Werksteinen kein umfassendes Buch über Schiefer als Werkstein existierte. Ein Grund dafür mag sein, dass Schiefer in den meisten Regionen vor allem als Dachschiefer verwendet wird und daher in der Fachwelt keine besondere Beachtung findet. Dies führt aus meiner Sicht zu einer Unterschätzung seiner Bedeutung als Werkstein. Unternimmt man aber eine Reise durch die verschiedenen europäischen Schieferprovinzen wie Thüringen und das Rheinische Schiefergebirge in Deutschland, die Ardennen und die Bretagne in Frankreich, Galizien im Nordwesten Spaniens oder auch durch Vermont und Pennsylvania in den USA, offenbart sich einem die Bedeutung des Schiefers. In fast allen diesen Gebieten ist Schiefer architektonisch dominierend, wohingegen andere Werksteine weniger präsent sind. Darüber hinaus wird Schiefer auch als Werkstein für verschiedene bildhauerische und künstlerische Anwendungen eingesetzt, also nicht nur für Dächer oder Fassaden. Schiefer hebt sich von anderen Gesteinen durch seine ausgeprägte Anisotropie ab. Anisotropie bedeutet richtungsabhängige Eigenschaften, die durch Schieferung verursacht werden. Sie ist prägend für fast alle Eigenschaften des Schiefers, was ihn einzigartig macht. Das Buch erschien zuerst in englischer Sprache. Auf Vorschlag des Springer-Verlages habe ich es ins Deutsche übertragen und in diesem Zuge auch Korrekturen vorgenommen. So wurden die meisten Karten überarbeitet und das Buch um einige Vorkommen und Daten erweitert. Eine wesentliche Änderung dabei war, dass ich die geologischen Einheiten und Lagerungsverhältnisse der Schieferprovinzen weggelassen habe, da sie für Nicht-Geologen eher verwirrend sind. Für dieses Buch wurden eigene Untersuchungen zu den petrographischen, physikalischen und gesteinsmechanischen Eigenschaften verschiedener Schiefer durchgeführt und durch publizierte Daten ergänzt. Zudem habe ich etablierte Untersuchungsmethoden und Normen durch eine alternative Methode zur Bestimmung der Biegefestigkeit ergänzt. Ein großer Teil des Buches beschreibt die weltweiten Schieferlagerstätten, von denen ich die meisten wichtigen besucht habe. Es werden aber auch kleinere Lagerstätten behandelt, wie jene in Russland, oder eher unbekannte, aber auch vielversprechende Lagerstätten, wie im Kaukasus, namentlich in Swanetien (Georgien). Letztere besuche ich seit Jahren regelmäßig, um mir ein Bild von den Rahmenbedingungen und Voraussetzungen für einen möglichen Abbau zu machen. Ich betrachte die Region Swanetien als eine Schieferprovinz mit großem Potenzial, bei dem der endgültige Erfolg weniger vom Schiefer selbst als vielmehr von den politischen Umständen und der Beherrschung des Abbaus unter Hochgebirgsbedingungen abhängt. Die Schiefervorkommen Chinas habe ich nur kurz angerissen, da es unmöglich war, umfassende Informationen und zuverlässige Daten zu erhalten. Eine seriöse Beschreibung, die über einen allgemeinen Charakter hinausgeht, hat dieser Umstand einfach nicht zugelassen. Ähnlich verhält es sich auch mit den Schiefervorkommen Indiens. Die in diesem Buch behandelten Themen sollen das gesamte Spektrum des Schiefers als Werkstein abdecken und dem Leser einen aktuellen Wissensstand vermitteln. Ziel war es, ein umfassendes Schiefer-Kompendium als Arbeitsgrundlage für Fachleute aus den Bereichen

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Vorwort

Geologie, Geotechnik, Bergbau, Architektur sowie für Schieferproduzenten und -händler zu verfassen. Es ist der interdisziplinäre Charakter des Buches, der eine Vielzahl von Lesern mit unterschiedlichen Hintergründen anspricht und es ihnen leicht machen soll, sich in Themen außerhalb des eigenen Fachgebietes einzuarbeiten. Juli 2022

Jörn Wichert

Danksagung

Zunächst möchte ich dem Springer-Verlag danken. Er war es, der mich nach einigem Zögern so motivierte, dass ich tatsächlich die Überarbeitung und Übersetzung meines englischen Buches in Angriff genommen habe und dass nun auch die deutsche Version vorliegt. Mein besonderer Dank gilt Prof. Heiner Siedel, der mit mir die verschiedenen Aspekte dieser fachlich breit angelegten Arbeit diskutiert hat. Prof. Heinz Konietzky bin ich für die Diskussionen über geotechnische Aspekte beim Abbau zu Dank verpflichtet. Die vielen Gespräche mit meinem ehemaligen Kollegen Dr. Thomas Frühwirt brachten mir das Gebiet der Gebirgsmechanik näher, mit dem Geologen meist nicht allzu vertraut sind. Er hat felsmechanische Versuche durchgeführt, deren Ergebnisse hier ihren Eingang fanden. Dafür möchte ich ihm meinen besonderen Dank aussprechen. Des Weiteren danke ich Dr. Sebastian Kolitsch für all seine Kommentare und tiefgehenden Debatten, die mich zu weiteren Verbesserungen inspiriert haben. Ich danke Erika Nitschke für ihre Hilfe und das Dolmetschen während der Besichtigung der verschiedenen Schieferbrüche in Frankreich sowie Jana Schulze-Rehagel für ihre Unterstützung während dieser schönen Reise. Das Schreiben eines solchen Buches ist begleitet von Phasen des Zweifels, die Themen in angemessener Qualität zu behandeln. Mein besonderer Dank gilt all meinen Freunden, die mir Selbstvertrauen gegeben und mich ermutigt haben, an diesem Buch zu arbeiten. Ich möchte mich bei Jeri Johns bedanken, der mich bei meinem Besuch in der Peach Bottom Region (USA) begleitet hat. Einen großen Anteil am Entstehen dieses Buches hat Prof. Joachim Hofmann (†) durch die zahlreichen Gespräche sowie die veröffentlichte Literatur und Daten, die er mir zur Verfügung stellte. Er war derjenige, der mich auf den Schieferpfad brachte und ist letztendlich dafür „verantwortlich“, dass dieses Buch entstanden ist. Als bescheidener Arbeiter im Schieferberg Gottes bemühe ich mich auch um eine korrekte und verständliche Sprache. Silke Richter hat sich des Textes und der Karten mehrmals akribisch angenommen und für den sprachlichen Feinschliff gesorgt. Dafür gilt ihr mein herzlichster Dank.

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Inhaltsverzeichnis

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Schiefer in der Architektur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Teil I Entstehung, Untersuchungsmethoden und Normen, Eigenschaften sowie Abbau und Produktion 2

Die Entstehung von Schiefer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Sedimentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Metamorphose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Tektonik und Deformation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Untersuchungsmethoden und Normen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Bestimmung der mineralogischen Zusammensetzung und des Gefüges. . . . . 3.2 Mikroporosität und thermische Dehnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Bestimmung der hydrischen Dehnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Bestimmung der Festigkeitsparameter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Bestimmung der Schneelast. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Normen für Dach- und Wandschiefer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.1 Abmessungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2 Bestimmung der Biegefestigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.3 Bestimmung der Wasseraufnahme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.4 Prüfung der Frost-Tau-Wechsel-Beständigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.5 Prüfung der Temperatur-Wechsel-Beständigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.6 Prüfung der Beständigkeit gegen Schwefeldioxid . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.7 Petrographische Untersuchungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.8 Bestimmung des Karbonatgehaltes und des nicht-karbonatgebundenem Kohlenstoffs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Eigenschaften von Schiefer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Definition und Klassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Petrographie und Mineralogie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Gefüge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Optische Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Festigkeiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1 Festigkeitsanisotropie von Schiefer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2 Biegefestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.3 Ringbiegefestigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.4 Elastizitätsmodul, Verformungsmodul und Poissonzahl. . . . . . . . . . . 4.5.5 Druckfestigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.6 Zugfestigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.7 Ausbruchslast am Ankerdorn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41 41 41 47 50 55 55 56 60 61 63 64 65

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Inhaltsverzeichnis

4.5.8 Härte und Abrieb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.9 Spaltbarkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Dichte und Porosität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Thermische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 Hygrische und hydrische Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.1 Feuchtetransport in Gesteinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.2 Wasseraufnahme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.3 Hydrische Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65 67 69 71 77 77 79 80 83

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Verwitterung von Schiefer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Einführung und Umweltbedingungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Klassifikation von Verwitterungsformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Schäden durch mechanische Verwitterungsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Chemische Verwitterung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Oxidation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Biologische Besiedlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85 85 88 91 93 96 98 98

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Abbau und Produktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Überblick. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Produktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Produktion von Dachschiefer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Andere Schieferprodukte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Teil II  Schiefervorkommen 7

Die Schiefer Europas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Schiefer in Großbritannien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1 Schottland. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2 Südwestengland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.3 Wales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.4 Cumbria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Schiefer in Irland. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1 Schiefer von Valentia Island. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2 Schiefer in Tipperary County. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Schiefer in Spanien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.1 El Courel, Valdeorras, La Cabrera und Alto Bierzo. . . . . . . . . . . . . . 7.3.2 Monte Rande. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.3 Riofrío de Aliste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.4 Bernardos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.5 Villar del Rey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4 Schiefer in Frankreich. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.1 Die Schiefer des Armorikanischen Massivs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.2 Corrèze – Donzenac. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.3 Lorèze and Aveyron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.4 Dourgne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.5 Schiefer in den Pyrenäen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5 Schiefer der Ardennen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 Schiefer in Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.1 Das Rheinische Schiefergebirge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.2 Harz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.3 Thüringen und Oberfranken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.4 Sachsen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

111 111 111 119 121 127 128 130 130 130 135 141 142 144 146 147 148 158 159 161 162 167 177 178 188 193 203

Inhaltsverzeichnis

XI

7.7

Schiefer in der Tschechischen Republik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.1 Železný Brod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.2 Rabštejn nad Střelou. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.3 Mähren und Schlesien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.8 Schiefer in Polen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.9 Schiefer in der Slowakei. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.10 Schiefer in Ungarn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.11 Schiefer in der Schweiz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.11.1 Frutigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.11.2 Sernftal (Engi und Elm). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.12 Schiefer in Italien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.13 Schiefer in Russland. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.13.1 Südural. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.13.2 Schiefer des Kaukasus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.13.3 Sotschi-Adler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.13.4 Nordossetien-Alanien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.14 Schiefer in der Ukraine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.15 Schiefer in Georgien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

209 210 212 216 220 221 223 223 227 228 234 239 239 244 244 246 247 248 253

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Die Schiefer Nordamerikas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1 Überblick. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Schiefer in Kanada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1 Neufundland. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.2 Nova Scotia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.3 Die Schiefer von Bas-Saint-Laurent. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Schiefer in den Vereinigten Staaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1 Vermont und New York. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2 Maine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.3 Pennsylvania und Maryland. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.4 Virginia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.5 Arkansas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.6 Kalifornien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.7 Georgia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Die Schiefer Südamerikas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1 Schiefer in Argentinien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Schiefer in Uruguay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Schiefer in Peru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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10 Schiefer Asiens und Australiens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1 Schiefer in China. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Schiefer in Vietnam. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 Schiefer in Laos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4 Schiefer in Japan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5 Schiefer in Nordkorea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6 Schiefer in Nepal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.7 Schiefer in Indien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.7.1 Schiefer in Himachal Pradesh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.7.2 Schiefer in Jammu and Kashmir. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.7.3 Schiefer in Haryana. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.7.4 Schiefer in Andrah Pradesh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Inhaltsverzeichnis

10.8 Schiefer in Australien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.8.1 Die Schiefer von Willunga und Mintaro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.8.2 Die Schiefer von Tasmanien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Schiefer in der Architektur

Das Kapitel beschreibt die wirtschaftliche Bedeutung von Schiefer als Werkstein. Die Spaltbarkeit von Schiefer ermöglicht die Herstellung von 2–3 mm dünnen Decksteinen. Hauptsächlich wird Schiefer für Dächer und Fassaden im klassischen Überdeckungsstil verwendet. Seit prähistorischen Zeiten hat Schiefer aber auch eine starke Tradition als Werkstein für andere architektonische Zwecke, wenn auch weniger dominant. Eine umfassende und detaillierte Erläuterung vor allem für die US-amerikanischen und internationalen Deckstile findet sich in der „Slate Roof Bible“ von Jenkins (2016). Abbildungen zu den regionalen Stilen und jeweiligen Erscheinungsbildern der Schiefer finden Sie in den entsprechenden Kapiteln zu den Schiefervorkommen. In fast allen Ländern der westlichen Welt werden rechteckige Decksteine mit gewissen Modifikationen für Schieferbedachungen und -verkleidungen verwendet (Abb. 1.1 und 1.2). Die Decksteine befestigt man üblicherweise mit Schieferhaken oder -nägeln. In Spanien und Swanetien (Georgien) kommen traditionell unregelmäßige Decksteine zum Einsatz, wobei man in Spanien in den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts dazu überging, rechteckige Decksteine zu benutzen, so wie es in Frankreich und Belgien traditionell üblich ist. Die Deckung mit unregelmäßigen Decksteinen, auch als Wilde Deckung bekannt, wird immer noch ausgeführt und ergibt eine Art Schieferkunstwerk, das für jedes Dach einzigartig ist. Dies ist auch eine Herausforderung für den Dachdecker, denn jeder Deckstein muss auf dem Dach zugerichtet werden (Abb. 1.1f), damit die endgültige Gestaltung schließlich den technischen Anforderungen entspricht. In Deutschland kann man grundsätzlich drei Deckarten unterscheiden: deutsche Deckung oder Bogenschnittdeckung (Abb. 1.1a), Altdeutsche Deckung (Abb. 1.1b), und Schuppendeckung. Besonders die Altdeutsche Deckung ist einzigartig und typisch für Deutschland, obwohl sie heute zunehmend durch die deutsche Deckung ersetzt wird. Bei der altdeutschen Deckung ist die Breite der Decksteine

unregelmäßig und die Höhe nimmt von der Traufe zum First hin ab. Die Decksteine müssen traditionell vom Dachdecker kartiert und auf die endgültige Form zugerichtet werden. Kartieren bedeutet, dass der Dachdecker die angelieferten unregelmäßigen Schieferstücke entsprechend ihrer Größe sortiert, damit die erwähnte Abnahme von der Traufe zum First ein ästhetisches Gesamtbild ergibt. Heutzutage sind die Decksteine aus wirtschaftlichen Gründen oft schon vorsortiert. Die Form der Decksteine ist regional unterschiedlich und man benötigt linke Decksteine, wenn die Schieferdeckung von links unten beginnt (Rechtsdeckung) oder rechte Decksteine, wenn die Schieferdeckung von rechts unten beginnt (Linksdeckung). Die Orte auf dem Dach können unterschiedliche Gestaltungen zeigen, weil Dachdecker Ortssteine manchmal in einer bestimmten Form zurichten und dem Dach so eine Art persönliche Handschrift verleihen. Die klassische Schieferdeckung ist mit einer eher traditionellen Architektur verbunden, da sie gemäß der Fachregeln für Dachdeckungen mit Schiefer ein Dach mit einer Mindestneigung von 22°, z. B. für Rechteckdeckung und von 30° für Spitzwinkeldeckung, benötigt. Eine Unterschreitung der Regeldachdeckung von mehr als 10° ist nicht zulässig. Jeder Deckstein wird mit Nägeln oder Haken befestigt (Abb. 1.3). Der Vorteil von Nägeln mit entsprechender Überlappung ist, dass sie nicht zu sehen sind. In Großbritannien wird der Schiefer im Allgemeinen nach Spaltstärken sortiert und mit Nägeln befestigt. Die dickeren und schwereren Decksteine werden an der Traufe angebracht und die Spaltstärke nimmt zum First hin ab (Jenkins, 2016). In den USA umfassen die Schieferstile „standard“, „random width“, „textural“, „graduated“ und „staggered“ (Abb. 1.1g, h). Bei „standard“ haben alle Schiefer die gleichen Abmessungen, d. h. einheitliche Längen und Breiten, können jedoch unterschiedliche Farben umfassen (Abb. 1.2). Wenn die Decksteine gleiche Längen, aber unterschiedliche Breiten haben, spricht man von „random width“.

© Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer-Verlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2023 J. Wichert, Schiefer als Werkstein, https://doi.org/10.1007/978-3-662-66045-4_1

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Abb. 1.1  a Deutsche Deckung / Bogenschnitt (Erzgebirge); b Altdeutsche Deckung (Erzgebirge); c Rechteckdeckung mit Ronde und Carrée (La Rochelle, Frankreich); d Spitzwinkel (Ligurien, Italien); e gezogene Rechteckdeckung; f Wilde Deckung; g „staggered butt“ mit Höhen und Breiten (Berlinsville, PA, USA); h „standard American“ (Katholische Kirche „Christ the King Parish“ in Rutland, VT, USA)

1  Schiefer in der Architektur

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Abb. 1.2  Übersicht über Deckstile für Dächer und Fassaden sowie Formen von Decksteinen

Bei „textural“ können die Spaltstärken, Farben, Abmessungen, Texturen und Schiefersorten gemischt werden. Beim „graduated“ beginnt die Schieferdeckung an der

Traufe mit dickeren und längeren Decksteinen und nimmt zum First hin allmählich ab. Bei „staggered“ werden Schiefer mit unterschiedlichen Längen und gemischten Höhen

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Abb. 1.3  a Deutsche Deckung (Bogenschnitt), wie üblich in Deutschland mit Nägeln befestigt; b mit Klammern befestigte Decksteine in Brive-la-Gaillarde (Frankreich); c–e große Decksteine (e) werden auf dem Dach (c) mit Dübeln aus Kastanienholz (d) befestigt (Zentralmassiv, Hautefage, Frankreich); f mit Klammern befestigte Decksteine in Martelange (Belgien)

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verwendet, sodass das Dach ein gestaffeltes Aussehen erhält (Jenkins, 2016). Bei der Befestigung mit Haken sind diese sichtbar, was sich zumindest für den Autor als störend auf die Ästhetik eines Schieferdaches oder einer Fassade auswirkt (Abb. 1.3b, f). Eine interessante Art der Befestigung ist im Zentralmassiv in Frankreich zu sehen, wo jeder Deckstein mit einem Holzdübel befestigt wird (Abb. 1.3c, d). Dem Autor wurde berichtet, dass nur Holz von Kastanienbäumen verwendet wird, weil es das am besten geeignete Material sei. Manchmal werden Zierbänder, Ornamente oder Motive (Abb. 1.4) in Dächer und Fassaden eingearbeitet. Schiefer ist sehr geeignet für diese Arbeiten, weil er vergleichsweise leicht in jede gewünschte Form gebracht werden kann, was natürlich auch handwerkliches Geschick erfordert. Darüber hinaus zeigen Dächer manchmal Dekorationen in Form von Mustern, Inschriften, Installationsdaten, Initialen oder Namen. Abgesehen von den Mustern sind dekorative Dächer in Europa nur selten zu sehen, in den USA jedoch weit verbreitet. Ein Grund dafür könnte sein, dass die Schiefer dort eine breite Farbpalette vorweisen und somit solche Arbeiten begünstigen.

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Eine besondere Form von Ornamenten auf Schiefer ist die Verwendung von Stanniol, die man in Franken besichtigen (Abb. 7.102) kann und deren Fertigung in Abb. 1.5 dargestellt ist. Wie zu Beginn dieses Kapitels erwähnt, wird Schiefer als Werkstein auch für andere architektonische Zwecke verwendet, z. B. für Pflaster, für Mauerwerk und Wände sowie für Sockelverkleidungen. Vor allem für Mauerwerke oder Wände ist Schiefer sehr gut geeignet, da man die Dicke des einzelnen Steins durch Spaltung relativ einfach anpassen kann. Schiefer wird auch im Innenbereich für Küchenplatten, Tische, Fußböden, Bäder usw. verwendet, wobei die Oberfläche oft geschliffen, gebürstet oder poliert wird. Aufgrund seiner Spaltbarkeit ist es möglich, große Platten mit Kantenlängen von mehr als 2 m nur durch Spalten zu gewinnen, während andere Steine geschnitten werden müssen. Die Basilika S. Salvatore dei Fieschi in Cogorno (Italien) wurde 1244 errichtet und gilt als das bedeutendste romanisch-gotische Bauwerk in Ligurien (Abb. 1.6). Die Fassade ist im unteren Teil aus ligurischem Schiefer gefertigt

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Abb. 1.4  a Muster im Schieferdach des Museums für dekorative Kunst in Prag; b ein für die Lausitz typisches Muster in einer Schieferfassade (Swinjarnja/Schweinerden); c Vögel (Bundenbach); d Inschrift mit New-York-Red-Schiefer nördlich von Middle Granville (NY State, USA)

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Abb. 1.5  Fertigung von Mustern mittels Stanniol auf Schiefer, wie man sie in Oberfranken an einzelnen Häusern antrifft. (Fotos: frdl. Genehmigung Herr Scheidig, 2022)

und zeigt im oberen Teil abwechselnd Bänder aus weißem Marmor und grauem Schiefer. Das zentrale Maßwerk in Form einer gotischen Fensterrose besteht aus weißem Marmor, die begleitenden Pilaster auf beiden Seiten zeigen Reliefs des Löwen, des Kalbes, des Menschen und des Adlers. Es handelt sich um Symbole der Evangelisten, und auch sie sind aus Marmor gefertigt. Andere Reliefs an der Fassade bestehen aus Schiefer, befinden sich aber in einem weniger guten Zustand als die aus Marmor. Die Bänder aus Marmor und Schiefer sind typisch für zahlreiche Gebäude in Ligurien, wie die Kirche von San Matteo oder die beeindruckende Kathedrale von San Lorenzo in Genua (Abb. 7.136). Diese Gebäude zeigen, dass Schiefer auch für Gewölbe, Portale und für Säulen verwendet werden kann. Als Beispiel sei hier die Kirche Santuario di Nostra Signora del Ponte in Lavagna genannt (Abb. 7.135c). Ein interessantes, modernes Gebäude mit einem Schieferdach ist die Kirche Église Sainte-Jeanne-d’Arc in Rouen (Frankreich), die 1979 eingeweiht wurde (Abb. 1.7).

Die Form der Kirche soll einerseits die Flammen des Scheiterhaufens der Jeanne d’Arc symbolisieren, der am 30. Mai 1431 an dieser Stelle errichtet wurde, und andererseits die maritime Welt von Rouen. Eine weitere moderne architektonische Anwendung von Schiefer ist in Abb. 1.8 zu sehen. Schiefer ist ein sehr feinkörniges und vergleichsweise weiches Gestein, das sich insbesondere auch für bildhauerische Arbeiten eignet, da sich sehr feine und detaillierte Ornamente und Muster herausarbeiten lassen. Skulpturale Arbeiten aus Schiefer für Grabsteine und Epitaphe sind in den Ardennen zu sehen, wie zum Beispiel in Martelange (Belgien, Abb. 1.9), aber auch in Peach Bottom (USA, PA, Abb. 8.26) oder in Cornwall (GB, Abb. 7.13). Eine eher exotische Verwendung ist in Abb. 1.9 mit dem Ölgemälde auf Schiefer des niederländischen Malers Leonaert Bramer (1596–1674) zu sehen. Ein weiteres Ölgemälde auf Schiefer ist die Madonna della Vallicella des flämischen Künstlers Peter Paul Rubens (1577–1640)

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Abb. 1.6  Basilika S. Salvatore dei Fieschi in Cogorno (Ligurien, Italien) mit abwechselnden Bändern aus weißem Marmor und grauem Schiefer im oberen Bereich

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Abb. 1.7  Kirche Sainte-Jeanne-d’Arc auf der Place du Vieux-Marché in Rouen (Frankreich)

Abb. 1.8  Schieferskulptur an der Busstation in Blaenau Ffestiniog, Wales (frdl. Genehmigung Aled Owen 2020)

für den Altar der Kirche Santa Maria in Vallicella in Rom (Italien). Das reich verzierte Schiefermöbel in Abb. 1.10 verdeutlicht erneut das hohe Potenzial von Schiefer für bildhauerische Arbeiten. In Ligurien sind sehr häufig Tür- und Portalstürze aus Schiefer gefertigt, die entweder Ornamente oder (religiöse) Szenen zeigen (Abb. 7.135a, c).

In Abb. 1.10d, e sind marmorierte Schiefermöbel im Slate Valley Museum und der Pember Library in Granville (NY, USA) zu sehen, die in der „Schieferwelt“ einzigartig zu sein scheinen. Mitte des 19. Jahrhunderts begann man mit der Herstellung von Dekorationsartikeln, wie Tischplatten, Regalen, Konsolen oder Türschildern. Marmorierter Schiefer war billiger als Marmor aus Vermont oder Europa und ermöglichte es Familien der Mittelschicht, „den Anschein von Reichtum in ihren Häusern zu vermitteln“ (Slate Valley Museum, Granville 2018). Die vorgeschnittenen Schieferstücke wurden in eine Öl- und Farbmischung getaucht und in Öfen gebrannt. Danach polierte und lackierte man die Stücke und brannte sie erneut (Abb. 1.10d, e). Schiefer wird auch als Material für künstlerische Arbeiten verwendent (Abb. 1.11). Eine dem Autor nur aus Oberfranken bekannte Verzierung von Schieferfassaden ist die sogenannte Stanniolmalerei, die das Dunkle der Schiefer etwas aufhellte (Abb. 7.102 und 7.103). Die Beschreibung der Technik ist Seuling und Scheidig (1999) entnommen. Grundsätzlich wurden die Ornamente und Figuren aus Stanniol geschnitten und mit Leinöl auf die Schiefer geklebt. Dabei war das Schneiden eine sonntägliche oder abendliche Arbeit und auch das Aufkleben durfte nicht zu teuer sein. Zuerst wurden Pappschablonen von den entsprechenden Figuren und Ornamenten gefertigt. Anschließend wurden

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Abb. 1.9  Ölgemälde auf Schiefer des niederländischen Malers Leonaert Bramer (1596–1674): a Bauern am Feuer und b Mors Triumphans (Quellen: Wikicommons); c Grabstein in Martelange (Belgien)

die Schablonen auf Zinnfolie gedrückt und dann die Formen aus der Folie geschnitten. Nun wurde die Pappschablone auf die Schiefer gelegt und der Umriss mit einer Reißnadel umrissen. Somit wusste der Dachdecker, welches ausgeschnittene Stück wo platziert werden muss. Die umrissenen Flächen wurden nun mit Leinölfirnis als Klebstoff bestrichen und anschließend wurden die ausgeschnittenen Stanniolfolien aufgelegt. Die Haltbarkeit lag bei 20 Jahren und zur Konservierung wurden die Schiefer mit heißem Leinöl eingelassen. Insgesamt ist (Dach-)Schiefer nach wie vor ein wichtiger Wirtschaftsfaktor. Der weltweit größte Produzent ist Spanien, gefolgt in Europa von Deutschland und Italien in Bezug auf die Exportrate (Abb. 1.12). China ist derzeit der zweitwichtigste Schieferproduzent der Welt. Das untere Diagramm in Abb. 1.12 verdeutlicht einen weiteren wirtschaftlichen Fakt, nämlich den stetigen Rückgang der italienischen Schieferproduktion. Anfang der 1990er-

Jahre entstand als Folge der Wiedervereinigung Deutschlands ein völlig neuer Schiefermarkt speziell für spanischen Schiefer. Aber auch der fast vollständige Wegfall der französischen Schieferproduktion wurde durch Spanien „kompensiert“. Diese zunehmende Globalisierung des Schieferhandels führt zu einem allmählichen Verlust des typischen Erscheinungsbildes spezifischer regionaler Schieferdächer und damit zu einem schrittweisen Verlust des kulturellen Erbes. Die Diagramme in Abb. 1.13 zeigen die Exporte und Importe von Schiefer und anderen Werksteinen, nicht jedoch den Umsatz in den jeweiligen Ländern, der das Verhältnis noch einmal verändern würde. Dennoch kann man dem Diagramm für Spanien entnehmen, dass der Export von Schiefer deutlich höher ist als der aller anderen Werksteine zusammen, während das Diagramm für Frankreich das gleiche Phänomen für die Importrate von Schiefer ausweist. Während in der Vergangenheit Schieferdächer in ihrer jeweiligen Eigenart den verschiedenen Schieferprovinzen

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Abb. 1.10  a–c Kamin und Spiegel mit einem reich verzierten Rahmen aus Schiefer im Schiefermuseum in Angers (Frankreich); d, e marmorierter Kamin mit Spiegel in der Pember Library (d) und im Schiefermuseum (e) in Granville (NY, USA)

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Abb. 1.11  Resonance (Künstlerin: Sue Jones, Fotograf: Lorentz Gullachsen, UK)

einen unverwechselbaren Charakter verliehen, muss man heute eine gewisse Homogenisierung hin zu grau-schwarzen Schieferdächern feststellen, da die meisten Schiefer aus Spanien kommen. Dieser Trend ist bei vielen Werksteinen zu beobachten. In Frankreich kann man jedoch sehen, dass aus kristallinen Schiefern im Zentralmassiv immer noch Dachschiefer produziert wird. Ein Grund dafür könnte sein, dass sich diese Schieferdächer so sehr von allgemeinen (Ton-) Schieferdächern unterscheiden, dass sie nicht einfach ohne offensichtliche Veränderung der Kulturlandschaft ersetzt werden können. Ein wichtiger Aspekt des globalisierten Werksteinmarktes sind die Handelsnamen für die verschiedenen Schiefer. Für den Werksteinmarkt ist bekannt, dass ein Gestein von einem Standort unter zahlreichen Namen gehandelt werden kann. Die europäische Norm EN-12326-1 schreibt vor, dass „jede Schieferplatte in einer Liefermenge […] aus dem angegebenen Steinbruch, Bergwerk oder Schieferlager stammen“ muss. Die meisten Händler verwenden oft Handelsnamen anstelle des Namens des Steinbruchs, aus dem der Schiefer

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stammt. Wie bei Werksteinen kann derselbe Schiefer unter verschiedenen Handelsnamen vertrieben werden. Eine weitere verwirrende und ärgerliche Tatsache ist die oft irreführende petrographische Bezeichnung für Gesteinssorten, die zu falschen Erwartungen bei den Kunden führen können. Prominentes Beispiel hierfür ist der Begriff „Marmor“, der für so gut wie jeden polierbaren Kalkstein verwendet wird. Der petrographische Begriff „Marmor“ ist jedoch für ein karbonatisches metamorphes Gestein definiert. Dies ist nicht nur von akademischer Bedeutung, denn ein Kalkstein hat andere Eigenschaften als ein Marmor. Vor vielen Jahren wurde der Autor auf einer internationalen Messe mit einem Quarzit konfrontiert, der als Granit verkauft wurde, und es schien, dass es sich nicht um einen vorsätzlichen Betrug handelte, sondern eher um fehlendes Wissen, Ignoranz oder einfach um wirtschaftliches Interesse. Das ist, als würde man auf einem Metallmarkt Aluminium als Kupfer verkaufen. In der EN-12326-1 heißt es für die Definition von Dachschiefer: „Schiefer, der für Dachdeckungen und Außenwandbekleidungen verwendet wird, und der leicht entlang einer Schieferung in dünne Platten gespalten werden kann.“ Weiter heißt es, dass Schiefer ein Gestein ist, welches „an der Grenze zwischen sedimentären und metamorphen Formationen beginnt und bei epizonal-metamorphen Phyllitformationen endet.“ Aus Sicht des Autors ist es wichtig, dass eine Schieferung vorliegt und diese die Spaltfläche darstellt. Gesteine, die durch reinen lithostatischen Überlagerungsdruck entstehen – so wie der als Schiefer gehandelte Tonstein aus Minas Gerais – haben keine Schieferung, sondern spalten nach der sehr gut ausgebildeten Schichtung. Spielt das eine Rolle? Ja. Es mag für die Gestaltung eines Innenraums unwichtig sein, aber die Schieferung bei Tonschiefern führt zu einer höheren Elastizität, als dies bei Tonsteinen der Fall ist. Diese Tatsache ermöglicht das Zurichten von Dachschiefer, ohne dass er bricht. In einem Fall hatte ein Haus ein Schieferdach mit einem sehr rustikalen Aussehen und der Schiefer wies Spaltstärken von 8–10 mm auf. Der Schiefer wurde durch einen Tonstein ersetzt, um das ursprüngliche Aussehen zu erhalten, aber beim Zurichten der Decksteine lag die Bruchrate bei ca. 50 %. Dies verdeutlicht noch einmal sehr genau, dass die Verwendung korrekter Begriffe falsche Erwartungen und wirtschaftliche Verluste verhindern kann.

12 Abb. 1.12  Exportvolumen verschiedener Schiefer produzierender Länder, unabhängig von den Endprodukten. Es muss berücksichtigt werden, dass es sich teilweise um Reexporte handeln kann. (Quelle: Welt Bank Februar 2022)

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Literatur

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Abb. 1.13  Import- und Exportvolumen von Schiefer im Vergleich mit anderen Werksteinen im Jahre 2016 beispielhaft für Frankreich und Spanien. (Quelle: Webseite UN Comtrade 2017, 2018)

Literatur Jenkins, J. C. (2016). The slate roof Bible (3. Aufl.). Joseph Jenkins Inc.

Seuling, M., & Scheidig, S. (1999). Gebäude im Schieferkleid – Zeugnisse der Handwerkskunst in Landkreis Kronach (22/1999). Landkreis Kronach.

Teil I Entstehung, Untersuchungsmethoden und Normen, Eigenschaften sowie Abbau und Produktion

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Die Entstehung von Schiefer

2.1 Sedimentation Die tektonischen Verhältnisse, das Gebiet, aus dem das Material stammt, sowie die physikalischen und chemischen Bedingungen während der Sedimentation sind wichtig für das Sedimentationsmuster und schließlich für die Eigenschaften der Schiefer. Das Hauptgebiet der Sedimentation liegt in den hemipelagischen bis pelagischen Bereichen des passiven Kontinentalrandes, in denen z. B. die Schiefer von Galizien, Spanien (Abschn. 7.3.1), Thüringen (Abschn. 7.6.3) und Vermont, USA (Abschn. 8.3.1) abgelagert wurden (Abb. 2.1). Hemipelagische Sedimente werden in Meerestiefen zwischen 2000 und 2800 m abgelagert, während die pelagischen Sedimente dem Meeresboden der Tiefsee angehören. Ein weiteres Gebiet ist der flache, offene Schelf, auf dem die linksrheinischen Schiefer und die Schiefer von Angers, Cornwall und Swanetien (Georgien) abgelagert wurden. Ein dritter Bereich ist die Backarc-Region, die das sedimentäre Umfeld der Schiefer von Wales bilden (Abb. 2.1). Aktive Kontinentalränder, die oft ein Backarc umfassen, sind durch vulkanische Gebirgsketten und einen kurzen Transport gekennzeichnet. Das ist der Grund, warum das abgelagerte Material hier im Vergleich zu dem von passiven Rändern gröber ist. Die sedimentär-tektonischen Verhältnisse haben daher einen großen Einfluss auf die petrographische Zusammensetzung des Schiefers. Die Sedimente der hemipelagischen bis pelagischen Bereiche bestehen aus biogenem Material und sehr feinkörnigem, siliklastischem Material und sind Ergebnis langzeitlicher Verwitterungsprozesse. Nach dem Transport, vor allem durch große Flusssysteme, werden sie am Rande der Ozeane abgelagert. Der größte Teil des Materials wird innerhalb des Kontinentalrandes – das sind die Küste, der Kontinentalschelf und der Kontinentalhang – abgelagert, wobei der feinkörnige Anteil weiter transportiert und in den tieferen Teilen des Ozeans abgelagert wird.

Das bedeutet, dass die Sedimente am Kontinentalhang im Allgemeinen feiner sind als die Sedimente auf dem Kontinentalschelf. Abb. 2.2a zeigt die verschiedenen Sedimentationsprozesse, wobei im Fall von Schiefer Turbidite (Trübeströme) und Suspension die dominierenden Mechanismen sind. Suspension führt zu einer gradierten Schichtung, was eine Trennung der Körner entsprechend ihrem Gewicht und ihrer Dichte während der Ablagerung bedeutet. Klassische Schiefer umfassen eine Korngrößenspektrum von pelitisch (unter 0,2 mm) bis psammitisch (0,02 bis 2 mm). Die gradierte Sedimentation ist ein sich wiederholender Prozess, bei der die Sedimente einen leichten Übergang von hellen psammitischen zu dunklen pelitischen Bereichen zeigen (Abb. 4.2a). Der Kontinentalhang wird oft von submarinen Canyons durchschnitten, durch die sich Trübeströme (Turbidite) bewegen. Trübeströme stammen vom Rand des Schelfs und sind mit Schlamm oder sehr kleinen Körnern beladen. Sie haben daher eine höhere Dichte als klares Wasser und sinken nach unten. Diese Strömungen können eine hohe Geschwindigkeit erreichen, wobei sich am Ende dieser Canyons das Material in Form von riesigen Fächern auf dem Meeresboden ablagert. Dieser Prozess kann auch mehrfach ablaufen und führt zu einem typischen Muster: abgestufte Schichten mit häufig dünnen psammitischen Einschaltungen, die weite Gebiete bedecken können. Im Gegensatz dazu zeigt das Sedimentationsmuster der Thüringer Schiefer eine kontinuierliche pelitische Sedimentation in einem wahrscheinlich pelagischen Milieu (Schubert & Steiner, 1972). Einem anderen Muster begegnen wir in den Schiefern von Mähren und Schlesien (Abschn. 7.7.3), die eine rhythmische Grauwacke-Sandstein-Schiefer-Folge aufweisen (Kumpera & Martinec, 1995), die zu rustikaleren Schiefern führt. In Angers (Frankreich) kam es zu einer flachmarinen Sedimentation, während in den linksrheinischen Schiefergebieten das flachmarine Sedimentationsmilieu zusätzlich durch deltaische Sedimentation gekennzeichnet ist.

© Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer-Verlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2023 J. Wichert, Schiefer als Werkstein, https://doi.org/10.1007/978-3-662-66045-4_2

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18 Abb. 2.1  a Sedimentation am passiven Kontinentalrand; b Backarc-Becken innerhalb eines Extensionsregimes; c Piggy-back-Sedimentation ist eine exotische Ablagerungsform für Schiefer (piggy-back = Huckepack)

2  Die Entstehung von Schiefer

a

b

c

In der flachmarinen Umgebung sind feinkörnige Sedimente typisch. Sturmereignisse können hier zu gestuften oder laminierten Schichtungen führen. Ein deltaisches Sedimentationsmilieu kann als Übergangszone zwischen fluviatilen und marinen Prozessen betrachtet werden. Deltas umfassen Sedimente mit Korngrößen, die von Schotter bis Ton reichen und die Sedimentation erfolgt, vereinfacht gesagt, in Küstennähe in Form von Deltafächern. Die Ablagerungen können sehr komplex sein, wobei sich feinund grobkörnige Anteile schnell abwechseln. Dies führt zu sehr unterschiedlichen Schiefertypen, wie man sie im linksrheinischen Gebiet findet.

Ein sehr spezifisches sedimentäres Milieu sind die sogenannten Huckepack-Becken („piggy-back basins“). Diese Art von Becken verdankt ihren Namen der Tatsache, dass sie mit Sedimenten gefüllt werden, während sie sozusagen von den sich bewegenden Platten „getragen“ werden (Ori & Friend, 1984). Sie stehen in Zusammenhang mit Vorlandregionen aktiver Plattenkonvergenzen und zeichnen sich durch die Verbreitung turbiditischer und fluviodeltaischer Sedimentabfolgen aus. Die Schiefer von Bas-Saint-Laurent (Kanada) sind in einem solchen sedimentären und tektonischen Umfeld entstanden. Die Sedimentation von Material aus dem angrenzenden Vulkanbogen, dem Akkretionsprisma sowie dem Kontinentalrand wird durch Hebung oder Senkung

2.1 Sedimentation

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a

b

Abb. 2.2  a Typische Sedimentationsprozesse innerhalb der hemi- bis pelagischen Gebiete am passiven Kontinentalrand (umgezeichnet nach Reading, 1996). b Geochemische Bedingungen im Ozean in Bezug auf den Gehalt an Karbonat vs. Corg. sowie entsprechende grundsätzliche Schiefertypen in Abhängigkeit der Wassertiefe (umgezeichnet nach Jenkyns, in: Reading 1978)

und durch Variationen in der Sedimentationsrate gesteuert (Schroetter et al., 2006). Innerhalb der Backarc-Becken kann man zwischen extensionalen, neutralen und kompressiven Regimen unterscheiden. Ein extensionales Regime herrschte während der Sedimentation der kambrischen Schiefer von Wales und führte zu einer Horst-und-Graben-Struktur. Durch die von Störungen beeinflusste Sedimentation kommt es zu sehr schnellen Änderungen der Sedimentationsbedingungen, was zu großen Mächtigkeitsunterschieden innerhalb kurzer Distanzen führt. Die Entwicklung von Backarc-Becken ist mit vulkanischer Aktivität verbunden, die feinkörnige Asche produziert. Die vulkanische Asche wird während des atmosphärischen Transports sortiert und anschließend in Ozeanbecken als pyroklastisches Gestein abgelagert. Vulkanische Asche kann zu rötlich oder grünlich gefärbten Schiefern führen, wie die Schiefer der Borrawdale-Gruppe im Lake District. Neben diesen physikalischen Prozessen steuern drei Prozesse die chemischen Bedingungen in der ozeanischen Wassersäule: Lösung, Produktion und Maskierung (Reading, 1996).

In den Ozeanen sinkt totes Plankton herab, das eine Quelle für Karbonat (Schalen) sowie organische Materie (Corg.) ist. Die Löslichkeit von Karbonat wird durch Temperatur und Druck sowie die Menge an gelöstem CO2 im Wasser bestimmt. Sie steigt mit abnehmender Temperatur sowie mit zunehmendem Druck und der Konzentration von gelöstem CO2. Dieser Zusammenhang herrscht in den Ozeanen vor. In einigen Kilometern Wassertiefe findet die Hauptauflösung von Aragonit statt (AKT = Aragonit-Kompensationstiefe), gefolgt von der Lysokline, unter der sich kein Kalziumkarbonat mehr anreichert (Abb.  2.2b). Einige 100 m tiefer folgt die Karbonat-Kompensationstiefe (KKT). Unterhalb der KKT wird kein oder fast kein Karbonat mehr abgelagert. In heutigen Ozeanen liegt die KKT in einer Tiefe von 4–5 km. Unter normalen Bedingungen wird planktonisches organisches Material während seines Transports nach unten durch Oxidation zerstört. Dieser Prozess findet hauptsächlich in Tiefen zwischen 300 und 1200 m statt. Hier herrschen in einer Schicht Bedingungen, die von einem Mini-

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2  Die Entstehung von Schiefer

2.2 Metamorphose

mum an Sauerstoff und einem Maximum an CO2 gekennzeichnet sind. Organisches Material bleibt nur dann erhalten, wenn die Sauerstoffmenge gering und die Produktion und Zufuhr von organischem Material hoch ist. Wenn eine dieser Komponenten – organische Substanz versus Sauerstoff – einen sehr hohen Anteil aufweist, kann sie die andere dominieren. Dieses Verhältnis wird von Reading (1996) als Maskierung beschrieben. Mit anderen Worten: Je tiefer das Sediment abgelagert wird, desto weniger Karbonat enthält es; umgekehrt steigt der Anteil an organischer Substanz und Schwefel. Unter diesen reduzierenden Bedingungen kann Schwefel mit Eisenionen (Fe2+) zu Eisensulfidmineralen, und hier am häufigsten zu Pyrit (FeS2), reagieren. Dieser Zusammenhang ist wichtig für das Verständnis der Beschaffenheit eines Schiefers in Bezug auf seinen Schwefel-, Kohlenstoff- und Karbonatgehalt. Die Kenntnis der Bedingungen während der Sedimentation sowie die regionale geologische Situation können für eine erste Einschätzung des allgemeinen Charakters eines Schiefers hilfreich sein.

a

Nach der Ablagerung der Sedimente findet zunächst eine Kompaktion dieses wasserreichen Schlammes statt. Der Prozess wird als Diagenese bezeichnet und verwandeln den Schlamm in einen festen Tonstein: die Porosität nimmt ab und das Wasser wird herausgepresst. Die Anchizone bildet den Übergang von der Diagenese zur niedriggradigen Metamorphose der Grünschiefer-Fazies (Abb. 2.3). Diagenese und Anchizone können weiter in flache und tiefe Diagenese sowie in niedrige und hohe Anchizone unterteilt werden. Der Grad der Metamorphose ist mit einer Änderung der Lithologie verbunden. Die oft fälschlicherweise als „Schiefer“ gehandelten Schiefertone/Tonsteine von Minas Gerais in Brasilien entstehen z. B. innerhalb der diagenetischen Zone. Sie zeigen also keine durch Deformation und Metamorphose entstandene Schieferung, sondern spalten entlang der Schichtungsebene. Diese „Schiefer“ haben eine geringere Biegefestigkeit (10–30 MPa, Quelle: LópezMesones et al. 2007) und Elastizität als Schiefer im eigentlichen Sinne, wodurch eine feine Spaltung von 4–6 mm dünnen Decksteinen kaum oder gar nicht möglich ist. Dachschiefer (Tonschiefer) im engeren Sinne sind ein Ergebnis der regionalen Metamorphose und entstehen bei Temperaturen von 200–300 °C und Druckverhältnissen von etwa 2–5 kbar (Abb. 2.3). Sie können der niedriggradigen

b

Abb. 2.3  a Übergang von Diagenese zur Metamorphose (umgezeichnet nach Frey & Robinson 1999); b Eskola-Diagramm der metamorphen Fazies entsprechend der Beziehung Druck – Temperatur – Tiefe mit entsprechenden (Dach-) Schiefern

21

2.3  Tektonik und Deformation

Prehnit-Pumpellyit- und der Grünschiefer-Metamorphosefazies zugeordnet werden. Phyllite entwickeln sich in der Epizone/Grünschiefer-Fazies. Im Gelände sind Schiefer und Phyllite oft kaum zu unterscheiden, aber Phyllite haben im Allgemeinen eine leicht seifige Oberfläche. Der gesamte metamorphe Prozess von der Diagenese bis zur Epizone wird von der Veränderung des Gefüges und der mineralogischen Zusammensetzung begleitet. Tone sind z. B. bei Vorhandensein von Wasser leicht quellbar und haben damit einen Einfluss auf das Verwitterungsverhalten des Gesteins (Kap. 5). Insbesondere bei der Wasseraufnahme bzw. den hygrischen und hydrischen Eigenschaften (Abschn. 4.8) sind die Art wie auch die Anteile von Ton und Schichtsilikaten entscheidend. So implizieren die verschiedenen „Schiefer“-Typen bestimmte (technologische) Eigenschaften, weswegen die Begriffe korrekt verwendet werden sollten. Kristalline Schiefer entwickeln sich in der Grünschiefer-, Blauschiefer- und Amphibolit-Fazies, während Gneis unter den Bedingungen der Amphibolit-, Granulit- und Eklogit-Fazies entsteht. Kristalline Schiefer und Gneise werden lokal auch zur Dacheindeckung verwendet. Abb. 2.4 zeigt den Zusammenhang zwischen einer Intrusion und der Umwandlung eines Schiefers zu anderen Gesteinsarten innerhalb einer Kontaktmetamorphose. In Richtung der Intrusion erfährt der Schiefer eine Härtung, was die Spaltbarkeit sehr erschwert bzw. ganz verschwinden lässt. Ein hornfelsartiger Schiefer, wie er in Kapstadt in Südafrika vorkommt, kann als das letzte spaltbare Gestein angesehen werden, während echter Hornfels ein hartes und nicht spaltbares Gestein ist.

Die Schiefer von Villar del Rey in Spanien (Abschn. 7.3.5) und Macduff in Schottland (Abschn. 7.1.1) wurden durch eine solche Kontaktmetamorphose umgewandelt. In Villar del Rey war die Intrusion von Gängen mit einer Sprossung (Blastese) von kleinen Chlorit- und Biotitkristallen sowie Xenoblasten von unregelmäßig geformtem Andalusit verbunden (García et al., 1991). Der Macduff-Schiefer erfuhr durch die Platznahme der Inschund Boganclogh-Intrusionen eine allgemeine Härtung. Fruchtschiefer werden in Deutschland in Theuma im Vogtland abgebaut (Abb. 4.1d).

2.3 Tektonik und Deformation Der Umorientierung der Minerale während der Diagenese folgt eine erneute Einregelung durch die Faltung während der Gebirgsbildungsprozesse. Gebirgsbildungen sind oft mit mehreren Deformationsphasen von allgemein abnehmender Intensität verbunden. Man kann zwischen einer duktilen Deformation und einer nachfolgenden spröden Deformation unterscheiden. Die duktile Deformation führt zu Falten und einer Schieferung. Die spröde Verformung bildet Klüfte und Störungen, wobei diese eine Verschiebung von Schieferlagern zur Folge haben können und somit auch den Abbau von Schiefer bedingen. Das untere Querprofil in Abb.  2.5 ist eine verallgemeinerte Darstellung der verschiedenen tektonischen Zonen und entsprechenden Strukturen eines zusammen-

Abb. 2.4  Vereinfachtes Prinzip der Regional- und Kontaktmetamorphose mit entsprechenden Schieferarten

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Vorland

2  Die Entstehung von Schiefer

Vortiefe

Falten- und Schiefer- Ophiolithe kristalline Überscheibungsgürtel gürtel Decke

Scher zone

p Ophiolithe Scher- metamorpher Kernkomplex Sutur

Schiefergürtel

Vortiefe Falten- und Überscheibungsgürtel

Abb. 2.5  Modell eines Gebirgsgürtels mit beispielhaften Schiefervorkommen entsprechend der tektonischen Position (zusammengestellt und umgezeichnet nach Demange et al., 1997; Oberholzer, 1933; Schroetter et al., 2006; Coward & Siddans, 1979; Hatcher & Williams, 1986; Moores & Twiss, 1995)

gesetzten Orogengürtels (nach Hatcher & Williams, 1986; Moores & Twiss, 1995). Es spiegelt also nicht die realen Strukturen der verschieden großen Orogene wider. Die meisten Schieferlagerstätten befinden sich innerhalb des Schiefergürtels. Typisch für diese Zone ist die metamorphe Zeolith- bis Grünschiefer-Fazies. Schiefervorkommen sind aber auch in anderen tektonischen Zonen zu finden, wie beispielhaft in Abb. 2.5 gezeigt wird. Der Falten- und Überschiebungsgürtel im Vorland besteht hauptsächlich aus gefalteten, übergeschobenen und gestörten Flachwasser-Sedimentgesteinen (überwiegend Sandstein und Kalkstein). Die Tektonik ist durch eine Hauptverwerfung gekennzeichnet, die die Sedimentgesteine vom kontinentalen Grundgebirge trennt. Diese Hauptverwerfung wird oberhalb von Überschiebungen und Verwerfungen begleitet. Die Gesteine dieser Zone sind größtenteils nicht metamorph und in den tonigen Sedimenten ist eine Schieferung üblich (Moores & Twiss, 1995). Zum Kern des Orogens hin ist der Schiefergürtel die nächste tektonische Struktur. Die Gesteine bestehen nun aus Tiefseesedimenten mit überwiegend Schiefertonen und Tonschiefern. Der metamorphe Grad reicht von Zeolith- bis zu niedriger Grünschiefer-Fazies, wie sie für Dachschiefer typisch ist. Es können mehrere Generationen von Falten auftreten. Die Falten sind geneigter,

manchmal liegend und können riesige Decken bilden (Moores & Twiss, 1995). Die Faltung ist von einer Schieferung begleitet, die von späteren Schieferungen überprägt werden kann. Dieser Deformationsstil ist in den Schiefergebieten von El Courel und Valdeorras deutlich sichtbar. Zum metamorphen Kern hin treten Glimmerschiefer und hochmetamorphe Gneise auf. Ein interessantes Schiefervorkommen sind die schottischen Schiefer der Highland Boundary Fault. Hier befinden sich die Schiefer in den südwestlichen und zentralen Grampian Highlands in einer großen liegenden Falte im alpinen Maßstab (Stephenson et al., 2013a, b). Von allen Strukturen ist die Tay-Decke (Tay nappe) die dominierende im südöstlichen Bereich des Grampian Terranes (Abb. 2.6). Sie verläuft in Form eines 15–20 km breiten Streifens parallel zur Highland Boundary Fault und erstreckt sich von der Halbinsel Kintyre im Westen bis nach Stonehaven an der Ostküste (vgl. Abb. 7.4). Die meist flach lagernde Tay-Decke zeigt ein Abtauchen der Gesteinseinheiten in Form einer großen Monoklinale (vgl. Abb. 2.7), welche als „Highland Border Downbend“ bezeichnet wird und in der die Schiefer der Highland Boundary Fault vorkommen. Die strukturgeologische Entwicklung der Dalradian (Tab. 7.1) vollzog sich in den meisten Regionen der Gram-

2.3  Tektonik und Deformation

23

Abb. 2.6  Vereinfachte Darstellung der Lagerungsverhältnisse des Grampian Terranes und Position der Schiefervorkommen (umgezeichnet nach Thomas 1979)

pian Highlands in der Kaledonischen Gebirgsbildung, die in drei oder vier Hauptphasen gegliedert wird. Die Metamorphose in der ersten Phase erreichte die GrünschieferFazies. Die zweite Phase überprägte umfangreich fast alle Gesteinseinheiten und Falten. Die dritte Phase ist allgemein durch aufrechten Faltenbau gekennzeichnet (Stephenson et al., 2013a, b). Bei Schiefer führt die Deformation zu einer stärkeren Umorientierung und parallelen Ausrichtung der Minerale, was zu einer durchdringenden Schieferung führt (Abb. 2.7b, c). Abhängig von der mineralogischen Zusammensetzung und dem Grad der Deformation kann die Morphologie einer Schieferung (Abb. 4.9) sehr unterschiedlich sein. Eine geringe Verformung, wie im Hunsrück, kann zu einer sehr unregelmäßig ausgebildeten Schieferung führen. Diese Unregelmäßigkeit wird durch das inhomogene Sedimentationsmuster zusätzlich verstärkt. Im Gegensatz dazu zeigen die Dachschiefer Thüringens und des größten Teils von Galizien eine gut ausgeprägte Schieferung mit einer starken Ausrichtung der Glimmerlagen. Durch die Faltung nehmen Schichtung und Schieferung oft einen bestimmten Winkel zueinander ein. Dies wird als Transversalschieferung bezeichnet, bei der sich die räumliche Orientierung der Schieferung innerhalb einer Falte ändert. Abb. 2.7c zeigt das Verhältnis zwischen Schichtung

und Schieferung in Abhängigkeit von der Lage innerhalb einer Falte. Im Bereich des Faltenschenkels zeigt der Schiefer eine glatte Spaltfläche (Abb. 2.8f). Bei Annäherung zum Faltenscharnier wird der Winkel zwischen der Schichtung und der Schieferung größer. Ab einem bestimmten Punkt tritt eine Lineation (= Streifung) auf, die immer sichtbarer werden kann (Abb. 2.8g, h). Das bedeutet, dass in einem Steinbruch Schiefer mit unterschiedlichem Aussehen vorkommen können, je nach Lage des Abbaus im „Schichtungs-Schieferungs-Rahmen“. Es gibt auch geologische Lagerungsverhältnisse, bei denen Schichtung und Schieferung parallel verlaufen. Hier spricht man von einer Parallelschieferung. Ptygmatische Faltungen (Abb. 2.8a) sind disharmonische Faltungen einzelner Schichten und können die Qualität des Schiefers lokal beeinflussen, da sie zu einem schnellen Wechsel zwischen feinkörnigen und grobkörnigen Lagen führen. Symmetrische Chevronfalten und asymmetrische Knickfalten sind typisch für anisotrope Gesteine und treten auch häufiger in Schieferbrüchen auf (Abb. 2.8c, d). Ein weiteres Phänomen ist, dass sich die Orientierung der Schieferung an der Grenze zwischen zwei unterschiedlichen Gesteinen ändern kann. In wechsellagernden Schichten, wie z. B. von Schiefer und Quarzit, kann die Schieferung im Quarzit überhaupt nicht ausgebildet sein (Abb. 2.8e).

24

2  Die Entstehung von Schiefer a

b

c

d

e

Abb. 2.7  a Darstellung von Antiklinalen und Synklinalen; b Falte mit einer deutlich ausgeprägten klassischen Transversalschieferung, die aber nur in den feinkörnigen Schichten ausgebildet ist (Ziegenruckberg in Rabštejn nad Střelou/Rabstein, Böhmen); c, d Faltenstruktur in einer Schiefergrube ca. 4 km westlich des Dorfes La Baña (Galizien, Spanien); die Zeichnung stellt die Faltenstruktur auf dem Foto vereinfacht dar und zeigt die räumliche Beziehung zwischen Falte und Schieferung. e strukturgeologisch-tektonische Typen von Schieferlagerstätten

2.3  Tektonik und Deformation

25

a

b

c

d

e

f

g

h

i

Abb. 2.8  a Irreguläre Falten; b gradierte Schichtung (helle bis dunkle Bereiche) und Schieferungsfläche (Hammer); c Knickfalten; d Knickbänder; e Kompetenzkontraste (Kompetenz =  Widerstandskraft gegenüber Deformation) zwischen kompetenten Quarzitschichten und inkompetenten tonigen Schichten führen dazu, dass die Schieferung nur in den tonigen Schichten ausgebildet wurde; f Besenstrukturen, verursacht durch den Meißel beim Spalten; g, h kaum wahrnehmbare (g) sowie ausgeprägte (h) Lineation/Streifung zwischen Schichtung und der Schieferungsfläche (in h schräg und Wechsel hell-dunkel, Handstück); i gefaltete Leitschicht aus Eisensulfid in Thüringen (frdl. Genehmigung Prof. Joachim Hofmann (†) 2017)

Der in Abb. 2.8f zu sehende Spaltbesen ist Ergebnis des Spaltens beim Zurichten von Schiefer. Dieses Phänomen tritt auch natürlich auf und kann als optischer Ausdruck der Spaltbarkeit eines Schiefers und somit als einfacher Feldtest angesehen werden. Abb. 2.8i zeigt einen gefalteten Leithorizont in Thüringen, der aus Eisensulfid besteht und als Eisensaum bezeichnet wird. Leithorizonte sind nützlich, um die Lagerungsverhältnisse zu bestimmen: Ist der allgemeine Schichtaufbau bekannt und befinden sich abbaubare Schiefer z. B. über einem Leithorizont so kann dieser eine Orientierung bezüglich des Abbaus geben. Knickfalten führen zu Knickbändern und treten in Form von mehr oder weniger schmalen Streifen auf. Je nach Intensität der Faltung und den Abständen zwischen den einzelnen Knickbändern kann man entweder nur kleine Schieferplatten herstellen oder die Produktion von Dachschiefern ist gänzlich unmöglich. Wie bereits erwähnt, sind Gebirgsbildungsprozesse oft mit mehreren Deformationsphasen verbunden. Eine an-

schließende zweite duktile Deformationsphase überlagert bestehende Strukturen, d. h., es kommt zu erneuten Faltungen und zu einer zweiten Schieferung, welche die erste Schieferung überprägt. Die zusätzliche Schieferung wird auch als Runzelschieferung (korrekt: Krenulationsfoliation) bezeichnet und reicht von einer kaum wahrnehmbaren Ausbildung, die nur unter dem Mikroskop beobachtet werden kann, bis hin zu einer deutlichen Ausbildung (Abb. 4.10). Eine kräftige Runzelschieferung findet ihren Ausdruck in einer runzeligen Oberfläche und kann die Festigkeit eines Schiefers reduzieren. Die dritten Deformationsphasen vollzogen sich meist so schwach, dass sie keinen Einfluss auf die Eigenschaften eines Schiefers haben. Auf die duktile Verformung folgt eine spröde Verformung, die zu Klüften und Verwerfungen führt. Während Klüfte Trennflächen in einer Lagerstätte darstellen, können Verwerfungen Schiefereinheiten verschieben und zu einem sehr komplizierten strukturellen Aufbau einer

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2  Die Entstehung von Schiefer

Tab. 2.1  Strukturelemente in Schiefervorkommen und ihr Einfluss auf den Abbau und die Eigenschaften von Schiefer

Strukturelement

Einfluss

Falten

Bestimmen die räumliche Beziehung zwischen Schichtung und Schieferung und somit ggf. das Erscheinungsbild der Schieferoberfläche Schnelle Wechsel von z. B. Sandstein und Schiefer, können den Abbau ökonomisch ineffizient machen Sedimentationsmuster (feinkörnig, grobkörnig …) beeinflussen das Erscheinungsbild und gesteinsmechanische Verhalten von Schiefern Beeinflussen die bergbauliche Vorgehensweise sowie die Größe der zu gewinnenden Blöcke Bereiche mit Knickfalten machen den Schiefer unbrauchbar für die Produktion von Dachschiefer Können die Biegefestigkeit reduzieren und somit eine höhere Bruchrate verursachen Es können ggf. nur kleinere Decksteine gewonnen werden, bzw. kann es zu einer höheren Bruchrate bei der Produktion sowie der Verdeckung kommen Die Schiefer werden graduell unterschiedlich umgewandelt. Dabei kann die Schieferung verschwinden, sodass die Spaltbarkeit nicht mehr vorhanden ist und somit keine Dachschiefer produziert werden können

Schichtung

Klüfte und Störungen Knickfalten, Knickbänder Lineationen (Faden) (Mikro-) Risse Gänge und Intrusionen

Schieferlagerstätte und schließlich zu einem höheren Abbauaufwand führen (Abb. 7.97). Außerdem können Klüfte Wegsamkeiten für die Bildung von hydrothermalen oder magmatischen Gängen unterschiedlicher Art und Größe schaffen. Kleinere und einzelne z. B. Quarzgänge können den Abbau lokal beeinflussen. Dagegen können größere Intrusionen den Schiefer durch eine Kontaktmetamorphose mit unterschiedlicher Intensität verändern. In der spanischen Schieferprovinz Villar del Rey (Abschn. 7.3.5) führte die Intrusion von Diabasgängen in die Schiefer zur Sprossung von kleinen Chlorit- und Biotitkristallen sowie von Xenoblasten aus Andalusit. Im Gegensatz dazu hat im schottischen Macduff die Platznahme von Intrusionen in die Schiefer hinein eine allgemeine Verhärtung und den Verlust der Spaltbarkeit der Schiefer zur Folge (Gunn et al., 2015, Abb. 7.10). All die verschiedenen strukturellen Merkmale beeinflussen die Eigenschaften eines Schiefers sowie die Art des Schieferabbaus und müssen daher bei der Planung eines Steinbruchs berücksichtigt werden (Tab. 2.1).

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3

Untersuchungsmethoden und Normen

3.1 Bestimmung der mineralogischen Zusammensetzung und des Gefüges Die mineralogische Zusammensetzung und das Gefüge können durch Polarisationsmikroskopie im Durchlicht und speziell für Erzminerale im Auflicht untersucht werden (Abb. 3.1d). Aufgrund des sehr feinkörnigen Sedimentationsmusters ist es nicht möglich, die mineralogische Zusammensetzung mittels Mikroskopie zu quantifizieren, sondern nur mit der Röntgendiffraktometrie. Die Röntgendiffraktometrie (Abb. 3.1a, c) ist eine Standardmethode für eine quantitative Analyse von Schiefer. Für die Röntgendiffraktometrie müssen etwa 250 mg des Schiefermaterials gemahlen und zu einem Pulver mit einer Korngröße von ≤20 µm gesiebt werden. Die Probenvorbereitung dauert zwischen 2 und 3 h (Abb. 3.1b). Man muss zwischen einer qualitativen und einer quantitativen Bestimmung der mineralogischen Zusammensetzung unterscheiden. Das Diagramm in Abb. 3.2 ist das Ergebnis einer qualitativen Analyse und die Peaks entsprechen den verschiedenen, im Schiefer vorkommenden Mineralen. Jedes Mineral kann mehrere Peaks im Diagramm haben, daher kann keine Aussage über die Massen-% der verschiedenen Minerale getroffen werden. Eine solche Tabelle ist oft Bestandteil von Dachschieferzertifikaten nach der europäischen Norm DIN-EN-12326-1/2 (DIN-EN, 2004, 2014), aber Kunden und Händler können diese Tabelle in den meisten Fällen nicht verstehen. Wenn nicht anders angegeben, wurden alle hier veröffentlichten Analysen der quantitativen mineralogischen Zusammensetzung [Masse-%] der Schiefer nach dem Rietveld-Verfahren vom Institut für Mineralogie der TU Bergakademie Freiberg bzw. vom Institut für Geotechnik der TU Dresden durchgeführt. Für die verschiedenen Minerale bzw. erzkristallinen Phasen gibt es unterschiedliche Standards, um eine sehr kleine Nachweisgrenze zu erhalten. Es ist also von Bedeutung, ob ein Labor Standards verwendet oder

nicht. Mit Standards ist die Bestimmung auf 100 % anders als eine Analyse ohne Berücksichtigung der Standards. Eine Bestimmung ohne Standards „gaukelt“ vor, dass nur die analysierten Minerale im Schiefer vorkommen, und werden deshalb so korrigiert und berechnet, als ob ihre Menge 100 % betragen würde. Mit anderen Worten: Minerale, die ohne Einhaltung von Standards analysiert werden, zeigen vergleichsweise höhere Anteile, meist von einigen Prozent, als Minerale, die mit Hilfe von Standards analysiert werden. Bei den eigenen Analysen wurde der Anteil an amorphen Komponenten, wie Eisen- und Manganhydroxid, sowie organischen Substanzen nicht berücksichtigt. Die Nachweisgrenze variiert zwischen 0,5 und 5 Masse-%, je nach Struktur und Matrix. Der Standardfehler (Standardabweichung) kann mit maximal 4 % abgeschätzt werden. Zur Untersuchung des Gefüges eines Schiefers mittels Mikroskopie wird ein Dünnschliff benötigt, der aus orientierten Proben gewonnen werden sollte, da sie die räumliche Beziehung zwischen Schichtung und Schieferung zeigen. Zur Herstellung eines Dünnschliffs wird ein dünnes Stück aus dem Gestein geschnitten, auf einem Glas fixiert und dann so lange geschliffen, bis die Probe eine Dicke von ca. 25 µm hat und transparent ist. Dies ist eine Voraussetzung für die Lichtmikroskopie, denn Mineralien werden aufgrund ihrer optischen Eigenschaften unterschieden, zudem wird das Gefüge im Lichtmikroskop sichtbar. Wie bei der Röntgendiffraktometrie benötigt man mehrere Dünnschliffe, um zuverlässige Aussagen über das Gefüge des Schiefers zu treffen.

3.2 Mikroporosität und thermische Dehnung Für die Mikroporosität wird die Quecksilberporosimetrie angewandt, zum Beispiel mit dem Gerät AutoPore V der Firma „micromeritics“ (Abb. 3.3a). Zur Messung der Wärmeausdehnung werden kleine Schieferproben

© Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer-Verlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2023 J. Wichert, Schiefer als Werkstein, https://doi.org/10.1007/978-3-662-66045-4_3

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28

3  Untersuchungsmethoden und Normen a

b

c

d

Abb. 3.1  a & c Defraktometer D5000 von Siemens mit Detail (c, TU Dresden, Institut für Geotechnik); b Ablauf bei der Probenpräparation für die Röntgendiffraktometrie; d Polarisationsmikroskop „Axioskop 40 Pol“ von Carl Zeiss (TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik)

Abb. 3.2  Diagramm einer qualitativen mineralogischen Zusammensetzung erstellt mit der Analyse-Software AUTOQUANT

(schwarze Stücke in Abb. 3.3c) in den Ofen eines Dilatometers gelegt (Abb. 3.3b). Die thermische Dehnung wird in einem Temperaturbereich von 20–300 °C gemessen und die Wärmeleitfähigkeit kann wie folgt berechnet werden:

=κ · ρ · c

  Wm−1 · K−1

(3.1)

mit: κ = thermische Diffusivität [m2 ⋅ s−1] | ρ = Dichte [kg  ⋅ m3] | c = spezifische Wärmekapazität [m2 · kg ⋅ s−2 ⋅ K-1] Die thermische Dehnung wird als Wärmeausdehnungskoeffizient α ausgedrückt:

α = �L/L · �T

(3.2)

3.4  Bestimmung der Festigkeitsparameter Abb. 3.3  a Gerät für die Quecksilberporosimetrie (AutoPore V von micromeritics); b & c Gerät (Dil 402 C von Netzsch) zum Messen der thermischen Dehnung (Institut für Keramik, Feuerfest und Verbundwerkstoffe an der TU Bergakademie Freiberg).

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a

b

c

a

mit:

c

L = Ausgangslänge [mm] | ΔL = Längenänderung [mm] | ΔT = Temperaturänderung [K] Die thermische Dehnung für 1 m Länge in einem bestimmten Temperaturbereich kann aus dem Wärmeausdehnungskoeffizienten α abgeleitet werden:

�L = L · α · �T �L = 1000 mm · 11,51 E−6 /K−1 · 20 K

b

(3.3)

mit: L = Ausgangslänge [mm] | ΔT = Temperaturänderung [K]

3.3 Bestimmung der hydrischen Dehnung Für die Bestimmung der Wasseraufnahme werden die Proben bei 60 °C im Ofen getrocknet und anschließend für sieben Tage vollständig in Wasser getaucht (Abb. 3.4b). Im Gegensatz dazu werden bei der Messung der hydrischen Dehung die Proben im Raum gelagert, so dass sie eine Ausgleichsfeuchte erreichen (Abschn. 3.6.3). Danach werden die Proben so gelagert, wie in Abb. 3.4b dargestellt. Die Messung erfolgt in Millimeter pro Meter parallel und senkrecht zur Schieferung bei Schiefer oder zur Schichtung bei Schiefertonen. Die ersten Messungen werden nach 24 Stunden und die zweiten nach sieben Tagen durchgeführt.

Abb. 3.4  Prinzip zum Messen der Wasseraufnahme von a Dachschiefern bei vollständiger Wasserlagerung, b verglichen mit der Bestimmung der hydrischen Dehnung. Hier werden normalerweise Probewürfel mit einer Kantenlänge von 50 mm verwendet. c Messeinrichtung für hydrische Dehnung (TU Dresden, Institut für Geotechnik)

3.4 Bestimmung der Festigkeitsparameter Bei Standardversuchen zur Bestimmung der Festigkeitskennwerte wird die Kraft schrittweise auf eine Gesteinsprobe aufgebracht (Abb. 3.5). Diese Prüfungen werden in Form von einaxialen oder triaxialen Versuchen durchgeführt: Während bei einaxialen

30

3  Untersuchungsmethoden und Normen

Die Poissonzahl oder Querdehnzahl ν ist der absolute Wert der Ausdehnung, geteilt durch die Kompression. Sie kann als Bruch oder in Prozent ausgedrückt werden:

v=

�d �d �L : = : ε d L d

(3.6)

mit: d = ursprünglicher Durchmesser der Probe | Δd = Änderung des Durchmessers Abb. 3.5  Labortests zur Feststellung von Festigkeitseigenschaften von Gesteinen

Versuchen nur eine vertikale Spannung σ1 ausgeübt wird, wird bei triaxialen Versuchen ein Umschließungsdruck (σ2 = σ3) mittels einer Flüssigkeit aufgebracht. Triaxialversuche können mehrstufig durchgeführt werden, d. h. der Umschließungsdruck wird in den aufeinanderfolgenden Stufen erhöht (vgl. Abb. 4.25). Die Bestimmung der Biegefestigkeit wird ausführlich in Abschn. 3.6.2 beschrieben, da sie Bestandteil der Norm für Dachschiefer ist. Beim Elastizitätsmodul, kurz E-Modul, unterscheidet man zwischen dem dynamischen und dem statischen E-Modul. Der dynamische E-Modul wird durch die Ultraschallwellengeschwindigkeit bestimmt und ist eine zerstörungsfreie Messmethode. Er benötigt weniger Aufwand als die Bestimmung des statischen E-Moduls. Die Bestimmung des statischen E-Moduls kann in Form von mehrstufigen einaxialen Druckversuchen oder mehrstufigen triaxialen Druckversuchen gemäß der Empfehlung Nr. 1 der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik (DGGT, 2004) bzw. DIN-EN 14580-7 (DIN-EN, 2005) durchgeführt werden. Im Gegensatz dazu erfolgt die Bestimmung des Verformungsmoduls Em mit einer bleibenden Verformung bis zum Versagen ohne Entlastungsphase. Der Elastizitätsmodul wird wie folgt berechnet:

E = σn : ε

in GPa

(3.4)

mit: σn = Normaler Stress | ε = Dehnung mit:

ε(%) =

�l (l1 − l0 ) = l0 l0

(3.5)

l0 = ursprüngliche Länge | l1 = Länge nach Deformation | Δl = Längenänderung

Zur Ermittlung der Druckfestigkeit kann ein einfacher einaxialer Versuch (linke Skizze in Abb. 3.5) nach der DIN-EN 1926-03 (DIN-EN, 2007) oder nach der Empfehlung Nr.1 der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik (DGGT, 2004) durchgeführt werden. Bei diesem Versuch wird eine vertikale Kraft (σ1) z. B. auf eine zylindrische oder kubische Probe ausgeübt. Die Festigkeit berechnet man wie folgt:

σc = F : A [MPa]

(3.7)

F = vertikale Kraft | A = Fläche. Die Spannung induziert einen Druck auf die Proben, die verformt werden, d. h. eine vertikale Verkürzung und eine horizontale Verlängerung. Diese Längs- und Querverformung wird gemessen. Die maximal aufgebrachte Kraft, der die Probe vor dem Versagen widerstehen kann, ist die Druckfestigkeit σc. Der Wert der Querdehnung, bei dem der Druck seinen Höhepunkt erreicht, wird als Bruchdehnung ε bezeichnet:

ε(%) =

�l (l1 − l0 ) = l0 l0

(3.8) l0 = ursprüngliche Länge | l1 = Länge nach Deformation | Δl = Längenänderung Die biaxiale Biegefestigkeit σRBF (Wittman & Prim 1983; Kozub 2008) ist definiert als die erreichte maximale Biegefestigkeit, die durch den ringförmigen Lasteintrag auf eine scheibenförmige Probe erzeugt wird (Abb. 3.6). Die kreisförmige Probe liegt dabei auf einem größeren Ring (Tragring), während ein zweiter, kleinerer Ring (Belastungsring) zentrisch Druck ausübt. Der Elastizitätsmodul E wird hier aus der Messung der Durchbiegung des zentralen Punktes der Probe durch einen induktiven Wegaufnehmer berechnet. Der entscheidende Vorteil dieser Methode liegt vor allem in der relativ geringen Probengröße, die zur Durchführung der Prüfung notwendig ist: Die zu prüfenden Probekörper sind scheibenförmig und haben in der Regel einen Durchmesser von

3.4  Bestimmung der Festigkeitsparameter

31

bekannt und wurde 1943 von dem brasilianischen Ingenieur Carneiro entwickelt. Im Gegensatz zu Normproben in Form von Zylindern oder Würfeln werden beim BrazilianTest kreisrunde, ebene Scheiben unter diametraler Druckbelastung verwendet. Für den Brazilian-Test gibt es verschiedene Normen oder Empfehlungen wie z. B.: • Empfehlung Nr. 10 der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik (DGGT, 2008); • ASTM D3967-08 (ASTM, 2009); • Recommendations of the International Society for Rock Mechanics (ISRM, 1978); • BS EN 12390-6 (BSI, 2010). Abb. 3.6  Laborgerät zur Bestimmung der Ringbiegefestigkeit sowie Testprinzip und Proben nach dem Test (TU Freiberg, Institut für Geotechnik)

50 mm und eine Dicke von 5 mm. Als allgemeine Faustregel gilt, dass die Dicke der Proben zwischen 1/10 oder 1/8 des Durchmessers liegen sollte. Die Proben können durch Abspalten vom zylindrischen Kern gewonnen werden. Das typische Bruchbild zeigt Risse, die vom zentralen Punkt der Platte ausstrahlen. Die biaxiale Biegefestigkeit σRBF wird wie folgt kalkuliert:   � a�   [2(1 + v)] · ln    b 3 · Fmax  � � � � · σBFS = 2 2 2 (1 − v) · (a − b ) a  4 · π · d2    · +  a2 r2 (3.9)

und der E-Modul:

E=

mit:

  (3 + v) 3·F 3 · [(1 − v )] · (4 · π · ω · d 3 ) 2 · (1 + v)   a  (3.10) · (a2 − b2 ) − b2 · ln b

Fmax = maximale Kraft des Belastungsrings [N] | d = Dicke der Probescheibe [mm] ν =  Poissonzahl | r  =  Radius der Probescheibe [mm] | ω = Durchbiegung der Probescheibe [mm] a = Radius Tragring [mm] | b = Radius Belastungsring [mm] Die Zugfestigkeit σt kann mit direkten einaxialen und triaxialen Zugversuchen bestimmt werden (Abb. 3.5). Eine sehr gebräuchliche indirekte Bestimmung der Zugfestigkeit von Gesteinen ist der Brazilian-Test, weil er mit einaxialen Druckprüfmaschinen einfach durchgeführt werden kann. Der Brazilian-Test ist auch als Spaltzugversuch

Die Zeichnung links oben in Abb. 3.7 zeigt das Prinzip des Brazilian-Tests: Auf die Platte wird eine vertikale Druckbelastung ausgeübt, wobei sich die maximale Zugspannung (= Tension) senkrecht zur Belastung (F) entwickelt. Im Vergleich zur Gesteinsprobe sind die Platten starr, sodass man von einer Punktlast sprechen kann. Während des Versuchs tritt ein biaxialer Betrag der Spannung entlang der vertikalen „Kraftlinie“ der Probe auf. Es gibt keine homogene Verteilung der Spannung. Bei dem Test geht man hauptsächlich davon aus, dass die Zugbrüche durch die Zugspannung verursacht werden. Die Zugfestigkeit σt wird berechnet als:

σt =

(2 · P) π ·D·t

(3.11)

P = Belastung beim Versagen der Probe | D = Durchmesser der Probescheibe | t = Dicke der Probescheibe. Das Versagen selbst tritt entweder im Zug- oder im ZugScher-Modus auf. Die Zugspannung wird als Ursache für das Versagen der Scheibe angesehen. Üblicherweise tritt das Zugversagen parallel zur Belastungsrichtung auf und halbiert die Probe in zwei Hälften. Aufgrund der Anisotropie des Schiefers ist die brasilianische Prüfung von Schiefer im Vergleich zu anderen Gesteinen aufwendiger, da man die Schieferung in Bezug auf die Last und die Achse der Proben berücksichtigen muss. Die untere Abbildung in Abb. 3.7 zeigt den Zusammenhang des Orientierungswinkels ψ zwischen Spaltfläche und Probenachse sowie der Spaltfläche und dem Belastungswinkel β. Die Ermittlung der Bruchlast am Ankerdornloch ist nach der DIN-EN 13364 (DIN-EN, 2002) durchzuführen. Es existiert auch der ASTM C1242-05 „Guide Standard Guide For Selection, Design, And Installation Of Dimension Stone Anchoring Systems“ (ASTM, 2005). Die DIN-EN 13364 (DIN-EN, 2002) gibt die Anzahl der Prüfungen und Proben in Abhängigkeit vom Auftreten von Anisotropien vor:

32

3  Untersuchungsmethoden und Normen

a

b

c

Abb. 3.7  Linke obere Zeichnung: Prinzip des Brazilian Tests (nach Fairhust 1964). Rechte obere Zeichnung: Winkel ψ zwischen Schieferungsfläche und Probenachse; Belastungswinkel β und Schieferungsfläche

• für Gesteine ohne Anisotropie müssen zehn Tests an drei Proben durchgeführt werden (a in Abb. 3.8); • zehn Tests an fünf Proben, die senkrecht zur Anisotropieebene geschnitten wurden (b & c in Abb. 3.8); • zehn Tests an drei Proben, die parallel zur Anisotropieebene geschnitten wurden (d in Abb. 3.8). Für Schiefer mit der Spaltfläche als Anisotropieebene ist der Typ d in Abb. 3.8 wichtig. Die Kantenlängen der Proben müssen 200 (±1) mm und die Dicke 30 (±3) mm betragen. Ein gängiger Test zur Bestimmung der Abriebfestigkeit ist die Untersuchung mit einem Ampler- oder Böhme-

a

b

c

d

Prüfgerät. Verschiedene Methoden ergeben unterschiedliche Werte, die nicht miteinander verglichen werden können. Eine Böhme-Prüfmaschine ist in Abb. 3.9 dargestellt: Eine Probe mit quadratischem Querschnitt wird mit einem definierten Gewicht und bestimmten Schleifmitteln gegen die Schleifscheibe gedrückt (links) und anschließend der Dickenverlust gemessen (rechts). Der quadratische Querschnitt der Probe muss mindestens 50 cm2 groß sein.

3.5 Bestimmung der Schneelast In Abb. 3.10 ist eine beispielhafte Situation für ein Schieferdach im Bogenschnitt zu sehen. Die Decksteine haben eine Größe von 30 × 30 cm mit einer vertikalen Überlappung von 9 cm. Daraus errechnet man die durchschnittliche Schneelast SL pro Quadratmeter. Hierfür wird eine Standardformel aus der angewandten Mechanik verwendet. Zunächst muss man die Last von Schnee oder Eis auf dem Dach kennen, die von der Dicke der Schnee- oder Eisdecke abhängt. Werte für die Last bei einer Dicke von 0,1 m sind:

Eis = 90 kg/m2 Abb. 3.8  Prüfaufbau für Proben mit keiner Anisotropie (a, z. B. Granit) sowie für die Last parallel zu den Anisotropieflächen (b), parallel zum Rand der Anisotropieflächen (c) und vertikal zu den Anisotropieflächen (d) entsprechend der DIN-EN 13364 (DIN-EN, 2002)

nasser Schnee = 40 kg/m2 frischer Schnee = 10 kg/m2

3.6  Normen für Dach- und Wandschiefer Abb. 3.9  BöhmeTestmaschine (links) und Messeinrichtung zur Feststellung der Verringerung der Dicke der Probe (frdl. Genehmigung FORM + TEST Seidner und Co. GmbH 2021)

33

a

b

Abb. 3.10  Darstellung der Last durch Schnee oder Eis auf einem Schieferdach anhand der Deutschen Deckung mit einer Spaltstärke der Decksteine von 5 mm. Der schraffierte Bereich ist der Überlappungsbereich, auf dem die Last wirkt

Beispiel Dicke der Nassschneedecke = 0,1  m Neigung des Daches = 35° Dicke d des Decksteins auf dem Dach = 5  mm (= 0,005 m) Länge des Hohlraums l  = 0,21 m (0,3 m–0,09 m) = 0,21 m wobei 0,09 m = Überlappung Die berechnete Last muss entsprechend der Dachneigung mit dem Kosinus multipliziert werden, um die korrigierte Last SL zu erhalten: ◦

SL = 40 kg/cm3 · cos 35 = 32, 8 kg/m2 = 322 N/m2 (3.12) Man kann nun die maximale Zugspannung der Schieferunterseite mit der Standardformel berechnen:       1 · d2 SL · l2 SL · l2 3 ÷ = · σmax = 8 6 4 d2 (3.13)

σmax = 426 kN/m2 = 0,426 Mpa 0,4 MPa

3.6 Normen für Dach- und Wandschiefer In diesem Abschnitt wird die in der EU gültige EN 12326 „Schiefer und andere Natursteinprodukte für überlappende Dachdeckungen und Außenwandbekleidungen“ erläutert (DIN-EN, 2004/2014; Tab. 3.1). Sie gliedert sich in einen ersten Teil für die Produktspezifikation und einen zweiten Teil für die Prüfverfahren. In der aktuellen EN 12326-1:2014 heißt es „Spezifikation für Schiefer und karbonathaltigen Schiefer“. In Norwegen und Schweden werden Phyllite, Glimmerschiefer und schiefrige Quarzite zur Dacheindeckung verwendet, die in der EN 12326 (DIN-EN, 2004/2014) nicht explizit aufgeführt sind. Daher hat Norwegen die „EN 12326-3 Spezifikationen für Schiefer und schieferhaltige Steine“ vorgeschlagen (Aasly & Alnæs 2008). Prüfungen nach der europäischen Norm sind aufwendig und es ist fraglich, ob alle Prüfungen notwendig sind, um verlässliche Aussagen über die Qualität und Haltbarkeit eines Schiefers zu machen. Andererseits ist die fehlende petrographische Untersuchung der anderen Normen ein Nachteil, um Aussagen über das mögliche Verwitterungsverhalten treffen zu können. Auf die in den USA

34

3  Untersuchungsmethoden und Normen

Tab. 3.1  Geforderte Tests von der DIN-EN-12326-2 (DIN-EN, 2004) und ASTM 406 (ASTM, 2000)

Parameter

EU EN-12326

USA ASTM 406

Abmessungen (Länge, Breite), Dicke, Ebenheit Biegefestigkeit Wasseraufnahme Frost-Tau-Wechsel-Beständigkeit Temperatur-Wechsel-Beständigkeit Karbonatgehalt Gehalt an nicht-karbonatgebundenem Kohlenstoff Test im Kontakt mit Schwefeldioxid Petrographie Probenahme

x

x

x x x x x x

x x

x x x

x

angewandte ASTM C406 (Standard Specifications for Roofing Slate) soll auch eingegangen werden. Sie umfasst folgende Prüfungen: – ASTM C 119 – Terminology Relating to Dimension Stone = Terminologie von Werksteinen (ASTM, 2004); – ASTM C120 – Modulus of Rupture, Modulus of Elasticity = Bruchmodul, Elastizitätsmodul (ASTM; 2000); – ASTM C121 – Water Absorption = Wasseraufnahme (ASTM, 1991); – ASTM C217 – Depth of Softening = Tiefe der Erweichung (ASTM, 1999). Der Dachschiefer wird gemäß den Anforderungen der Tab. 3.2 entsprechend einer erwarteten Lebensdauer klassifiziert: S1 = über 75 Jahre, S2 = 40–75  Jahre, S3 = 20–40 Jahre. Die ASTM C406 (ASTM, 2000) gibt an, dass die Lebensdauer je nach geografischer Lage und Umwelteinwirkung variieren kann. Die Bewitterung kann sehr komplex sein und es gibt keine Möglichkeit, verlässliche Aussagen über eine Lebensdauer zu machen. Daher sind diese fraglich. Die Norm fordert auch eine Bestellinformation für Kunden. In den USA und speziell im Bundesstaat Vermont kommt Schiefer in unterschiedlichen Farben vor, sodass eine Farbnomenklatur üblich ist.

Tab. 3.2  Anforderungen und Klassifikationen der ASTM C 406 (ASTM, 2000)

Klassifikation Grade S1 Grade S2 Grade S3

Bruchfestigkeit (Biegefestigkeit), quer zur Lineation/Faden [MPa]

Max. Wasser­ aufnahme

Max. Erwei­ chungstiefe [mm]

62 MPa

0,25 0,36 0,45

0,05 0,20 0,36

3.6.1 Abmessungen Dieser Abschnitt umfasst die Abmessungen, Rechtwinkligkeit, die Geradheit der Schnittkanten, die Spaltstärke und die Ebenheit von Decksteinen und zeigt einen der großen Unterschiede zwischen der DIN-EN 12326-1 (DIN-EN, 2014) und der ASTM C 406 (ASTM, 2000) auf. Die DIN-EN 12326-1 (DIN-EN, 2014) unterscheidet zwischen verschiedenen Arten von Dicken. Die erste ist die Nenndicke, die der Hersteller deklarieren muss. Der Maximalwert der Schwankung der Nenndicke beträgt ±35 %. Die gepackte Dicke ist die Gesamtdicke von 100 Decksteinen, die auf einer Palette gepackt sind, geteilt durch 100 und darf um nicht mehr als ±15 % von der Nenndicke abweichen (Tab. 3.3). Die Bestimmung der Basiseinzeldicke ebi hängt von der mechanischen Festigkeit ab und muss die klimatischen Bedingungen, die traditionellen Dachdeckungsverfahren und die folgenden Ausdrücke berücksichtigen: Für die Basiseinzeldicke ebi wird immer der höhere Wert angesetzt. Bei Auftreten von Karbonat ist die Basiseinzeldicke zu erhöhen (Abschn. 3.6.6 und Tab. 3.6).   l l et = X · el = X · Rcl Rcl mit: el = Dicke der Schieferplatte in Längsrichtung | et = Dicke der Schieferplatte in Querrichtung. Rechteckige Schieferplatten dürfen von der vom Hersteller deklarierten Länge oder Breite um nicht mehr als ±5  mm abweichen. Bei Schieferplatten mit einer Kantenlänge ≤500 mm darf die Abweichung nicht mehr als 5 mm und bei Kantenlängen >500 mm nicht mehr als 1 % der Länge betragen. Rechteckige Schieferplatten dürfen in keiner Ecke um mehr als ±1 % ihrer Länge von der Rechtwinkligkeit abweichen. Die maximale Abweichung von der Ebenheit ist in Tab. 3.4 dargestellt.

Tab. 3.3  Nationale X-Faktoren der DIN-EN 12326-1 (DIN-EN, 2014)

Mitgliedsstaat Belgien, Frankreich, Spanien Deutschland, Tschechische Republik, Italien Irland, Großbritannien

Orientierung Querrichtung

Längsrichtung

1,0

1,0

1,2

1,2

0,9

1,1

3.6  Normen für Dach- und Wandschiefer

35

Tab. 3.4  Maximale Abweichung von der Ebenheit für rechteckige Schieferplatten nach DIN-EN 12326-1 (DIN-EN, 2014)

Ebenheit der Schieferplatte Höchstzulässige prozentuale (vom Hersteller festgelegt) längenbezogene Abweichung Sehr glatt Glatt Normal Texturiert Schieferplatten für Sonderanwendungen

20 % oder von Schiefer, der den Code S.3 für die Schwefeldioxidbelastung erreicht, darf nicht geringer sein als der Wert.

38

3  Untersuchungsmethoden und Normen

Abb. 3.15  Prüfung in Kontakt mit Schwefeldioxid nach DIN-EN 12326-2 (DIN-EN, 2004)

Tab. 3.6  Mindesteinzeldicke von Schieferplatten bezogen auf den scheinbaren Kalziumcarbonatgehalt und entsprechende Codierung für die Beständigkeit gegen Schwefeldioxid nach DIN-EN 12326-1 (DIN-EN, 2014)

Karbonatgehalt Codierung für die [%] Beständigkeit gegen Schwefeldioxid  ≤ 5,0

S.1 S.2 S.3

>5,0 to ≤ 20,0

S.1 S.2 S.3

20,0

Dicke der Erweichungszone es [mm] Dickenanpassung

0–0,70 mm >0,70 mm

keine Basiseinzeldicke ebi + 5  % Basiseinzeldicke ebi ≥ 8 mm oder Wechsel Prüfung der Beständigkeit gegen Schwefeldioxid für Schiefer >20 % Karbonatgehalt (Abschn. 3.6.6) Basiseinzeldicke ebi + 5  % Basiseinzeldicke ebi + 10  % Basiseinzeldicke ebi ≥ 8 mm oder Wechsel Prüfung der Beständigkeit gegen Schwefeldioxid für Schiefer >20 % Karbonatgehalt (Abschn. 3.6.6) emi = ebi + 0,5 + (7es2) für Dach- und Wandschiefer ungeeignet

Der Test der ASTM C 217 (ASTM, 1999) basiert auf der Annahme, dass der Schiefer Pyrit, Kalzit und Kohlenstoff enthalten könnte, die möglicherweise zu einer Entfestigung führen. Bei diesem Test wird der Schiefer ebenfalls einer schwefelhaltigen Atmosphäre ausgesetzt, jedoch wird vor und nach der Exposition ein Ritzen durchgeführt. Zwei Methoden sind möglich, um die Tiefe der Erweichung zu messen. Hand-Schabewerkzeug: Das Schabewerkzeug wird durch Abschleifen der Klinge eines Spachtelmessers hergestellt. Die Klinge muss eine scharfe Kante haben, die als „Schneidkanten“ bezeichnet werden. Die andere Methode mit einem Scher-/Kratzprüfgerät ist präziser.

3.6.7 Petrographische Untersuchungen Nur die DIN-EN 12326-2 (DIN-EN, 2004) verlangt eine petrographische Untersuchung von Schiefer, die eine makroskopische und mikroskopische Beschreibung umfasst. Die Petrographie muss zur Identifizierung des Schiefers und zur Feststellung, ob das Gestein in den Geltungsbereich der europäischen Norm fällt, durchgeführt werden. Die makroskopische Beschreibung an einer Handprobe muss den Sedimentcharakter, die räumliche Beziehung Schichtung-Schieferung zur Unterscheidung zwischen einem Parallelschiefer (Schichtung parallel zur Schie-

3.6  Normen für Dach- und Wandschiefer

ferung) und einem Transversalschiefer (Schichtung schräg zur Schieferung) beinhalten. Weiterhin ist das Vorkommen von offenen und geschlossenen Rissen, Karbonatmineralen in Form von Lagen und Adern sowie das Vorkommen von Kohlenstoffanteilen zu beschreiben. Für die mikroskopische Untersuchung bietet sich die Polarisationsmikroskopie und die Auflichtmikroskopie an, wobei letztere nur sinnvoll ist, wenn man opake Minerale (Erzminerale) unterscheiden will. Es müssen zwei Dünnschliffe jeweils einmal senkrecht und einmal parallel zur Schieferung angefertigt werden. Ferner müssen zwei Anschliffe senkrecht zur Schieferung angefertigt werden. Für die Mikroskopie von Erzmineralen muss die Auflichtmikroskopie verwendet werden. Normalerweise reicht die Durchlichtmikroskopie aus, um das Gefüge und insbesondere die räumliche Anordnung und Morphologie der Glimmerlagen, die die Schieferung bilden, zu beschreiben (Abb. 3.16). Es ist anzumerken, dass mit der in Abb. 3.16 gegebenen Klassifizierung eine wirkliche Unterscheidung zwischen Gefügetypen nicht möglich ist. Die Klassifizierung in Abb. 4.9 ist einfacher und daher besser geeignet ist, Schiefer bzw. Gefügetypen zu unterscheiden.

Abb. 3.16  Schema zur Beschreibung der Morphologie von Glimmerlagen bei 500facher Vergrößerung entsprechend der DIN-EN 12326-2 (DIN-EN, 2004). Die Unterscheidung ist sehr vage und nicht praktikabel für eine echte Unterscheidung.

39

Neben der Morphologie muss auch der Mengenwert MW berechnet werden:

MW = AnGl · DDGl · 10[mm/mm]

(3.19)

mit: AnGl = Anzahl der Glimmerlagen pro mm [1/mm] DDGl = Durchschnittliche Dicke der Glimmerlagen [mm] Die nicht orientierten MoR-Daten in Abb. 4.21 wurden mittels Bildanalysen ermittelt, für die der Autor eine Routine entwickelt hat. Die Anzahl der gemessenen Glimmerlagen ist nicht exakt. Einige Strukturen werden als Glimmerlagen gezählt, während echte Glimmerlagen bildanalytisch ignoriert werden. Aber diese sehr schnelle Methode erlaubt es, vergleichsweise viele Messungen zügig durchzuführen und somit einen statistisch abgesicherten Mengenwert zu ermitteln. Es gibt einige Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen dem MW und der Biegefestigkeit, die eher vage (Abschn. 4.5.2) und beschreibend sind, aber doch gewisse Hinweise auf mögliche Brüche von kleinen Decksteinen, z. B. in Schieferkehlen (Maße: 14–15 × 23–36  cm), geben. In der Beschreibung ist anzugeben, ob und in welcher Form

40

Pyrit, Markasit, Pyrrhotit oder andere „metallisch glänzende Minerale“ sowie Karbonat vorkommen. Zur Analyse der quantitativen Mineralgehalte ist die XRD-Analyse (Röntgenbeugung) erforderlich. Sie stellt eine geeignete Methode dar, um die Menge der einzelnen Mineralien zu bestimmen. Die ASTM C 629 (ASTM, 2003) fordert, dass der Schiefer fehlerlos, dauerhaft und frei von Abplatzungen, Rissen, offenen Fäden, Gruben oder anderen Defekten sein muss, die seine strukturelle Integrität bei der vorgesehenen Verwendung beeinträchtigen könnten.

3  Untersuchungsmethoden und Normen

3.6.8 Bestimmung des Karbonatgehaltes und des nicht-karbonatgebundenem Kohlenstoffs Gemäß der DIN-EN 12326-1 (DIN-EN, 2014) muss der Karbonatgehalt dem vom Hersteller angegebenen Wert entsprechen. Der nicht-karbonatische Kohlenstoffgehalt von Schiefer muss ≤2 % sein (vgl. Tab. 4.3 ). Die ASTM C 629 (ASTM, 2003) fordert, dass Schiefer für Außenanwendungen in „saurer Umgebung“ oder in Industriegebieten mit starker Luftverschmutzung frei von kohlenstoffhaltigen Bändern sein muss.

4

Eigenschaften von Schiefer

4.1 Definition und Klassifikation Bei der Verwendung des Begriffs „Dachschiefer“ ist zu beachten, dass er von Praktikern in der Vergangenheit geprägt wurde. Daher steht dieser Begriff in engem Zusammenhang mit den verschiedenen (historischen) Schieferprovinzen der Welt, in denen die Einheimischen diesen Begriff für das spaltbare Gestein verwendeten, das sie in ihrer Umgebung fanden und zur Dachdeckung nutzten. Obwohl die meisten verwendeten Dachschiefer tatsächlich Tonschiefer im strengen petrographischen Sinne sind, gibt es auch Phyllite wie in Frutigen in der Schweiz (Abschn. 7.11.1) oder in Bernardos in Spanien (Abschn. 7.3.4), kristalline Glimmerschiefer in Lachamp in Frankreich (Abschn. 7.4.3), schiefrige Quarzite (Alta Quarzit, Norwegen) und Gneise (Tessin, Schweiz), die zur Dacheindeckung verwendet wurden (Abb. 4.1). Die Tonsteine in Minas Gerais in Brasilien (Abb. 4.1b) und der australische „Mintaro Shale“ (Abschn. 10.8.1) werden fälschlicherweise als Schiefer gehandelt. Wie bereits in Abschn. 2.2 erwähnt, handelt es sich bei diesen Tonsteinen um einen spaltbaren Tonstein, der entlang der Schichtebene spaltet und keine Schieferung besitzt. Diese Gesteinsarten haben, wenn auch in unterschiedlichem Maße, eine gewisse Spaltbarkeit gemeinsam, unterscheiden sich aber in ihren Gesteinseigenschaften und ihrem Aussehen. Er sind also keine Schiefer, weil sie nicht durch tektonische Kräfte, sondern durch Diagenese (Kompaktion durch Überlagerung) entstanden sind. Der internationale Handel erfordert die Verwendung von korrekten Begriffen. Die ASTM C 119-04 (ASTM, 2004) definiert Schiefer als ein „mikrokristallines metamorphes Gestein, das meist von Tonstein abgeleitet ist und hauptsächlich aus Glimmern, Chlorit und Quarz besteht. Die glimmerhaltigen Minerale haben eine subparallele Ausrichtung und verleihen dem Gestein dadurch eine ausgeprägte Spaltbarkeit, welche es ermöglicht, ihn in dünne und elastische Platten zu

spalten.“ Im Vergleich zur ASTM C 119-04 (ASTM, 2004) ist die europäische Norm DIN-EN 12326-1 (DIN-EN, 2014) strenger und schließt die oben genannten anderen „Dachschiefer“ aus. Sie beschreibt Schiefer als „Gestein, dessen Ursprung in tonigen Sedimentgesteinen, einschließlich Sedimenten vulkanoklastischer Herkunft liegt und petrographisch in einen Bereich gehört, der an der Grenze zwischen sedimentären und metamorphen Formationen beginnt und bei epizonalmetamorphen Phyllitformationen endet.“ Weiterhin führt die DIN-EN 12326-1 (DIN-EN, 2014) aus: „Die vorherrschenden und wichtigsten Bestandteile sind Phyllosilicate und die Schieferung, die aus einer durch schwache oder sehr schwache Metamorphose als Folge von Fließschieferung resultiert. […] Schiefer wird von Sedimentgestein unterschieden, das ausnahmslos entlang einer Schicht- oder Sedimentationsebene spaltet. […] Der Ursprung der Metamorphose kann in der tektonischen oder lithostatischen Kompression oder einer Kombination daraus liegen.“ Dachschiefer wiederum ist nach der Norm ein „Schiefer, der für Dachdeckungen und Außenwandbekleidungen verwendet wird, und der leicht entlang einer Schieferung in dünne Platten gespalten werden kann.“ Ein karbonathaltiger Schiefer ist ein „phyllosilicathaltiges Gestein mit einem scheinbaren Calciumcarbonatgehalt von mindestens 20 %, das eine durchgreifende Schieferung aufweist und für Dachdeckungen und Außenwandbekleidungen verwendet wird“.

4.2 Petrographie und Mineralogie Tonschiefer im engeren Sinne ist ein kompaktes und feinkörniges, niedriggradig metamorphes Gestein. Die Korngröße von Schiefer variiert zwischen pelitisch und psammitisch (Körngrößen von  40  % (Tab.  5.3) oder Schiefer aus Nuttlar (Westfalen, Deutschland), die teilweise etwa 9 % Ankerit und bis zu 20 % Kalzit aufweisen (Tab. 7.13). Schiefer aus C ­ umbria (Großbritannien) zeigen ebenfalls höhere Gehalte von 8,5–17,5 %, wie auch der Schiefer von Marianka (Slowakei), der zwischen 30–35 % CaCO3 enthält (Gregor, 2009). Schiefer aus Easdale (Schottland) können bis zu fast 29 % (Abb. 7.5) und Schiefer aus Uruguay bis zu 58 % an Dolomit erreichen (Morales-Demarco et al., 2013, Tab. 9.2). In den Schiefern von Pennsylvania kommt regelmäßig Kalzit vor, es variiert zwischen 5–17 %. Außerdem wurde in einigen Schiefern aus Pennsylvania Ankerit analysiert, der zwischen 2–7 % schwankt (Tab. 8.3). Die verschiedenen Karbonatminerale können die Verwitterungsbeständigkeit eines Schiefers herabsetzen und/ oder seine Farbe verändern. Der Gehalt an Karbonat ist vor allem in Regionen mit hoher Luftverschmutzung und daraus resultierendem sauren Regen von Bedeutung. Dieser kann zu Reaktionen im Schiefer unter Bildung von Gips führen. Ankerit enthält auch Eisen, das schon bei geringen Ankeritgehalten eine bräunliche Färbung verursachen kann. Mit anderen Worten: Karbonat im Schiefer ist entscheidend für das Verwitterungsverhalten eines Schiefers, das in Kap. 5 näher beschrieben wird. Obwohl Dolomit kaum löslich und stabiler als die anderen Karbonatminerale ist, kann der pH-Wert des Niederschlags in manchen Gegenden bis auf  3 %) an färbenden Mineralen einen Schiefer so „pigmentieren“ kann, dass sich das Erscheinungsbild von schwarz zu anderen Farben verändert: zu rot und grün ab 3–6 % und zu violett ab 5–6 %. Generell kann man zwischen echten und oberflächlichen Farben bei Schiefer unterscheiden. Die wichtigsten echten Farben sind Schwarz, Rot, Violett oder Grün (Abb. 4.13). Oberflächliche Färbungen hingegen sind das Ergebnis von eisenoxidhaltigem Wasser, das sich entlang von Schichtund/oder Schieferungsebenen bewegt. Die Ablagerung von Eisenoxiden und Limonit führt zu sehr unterschiedlichen braun-rötlichen Farben auf der Oberfläche. Diese oberflächliche Veränderung ist eine ästhetische Frage und

b­ etrifft ­weniger die technische Funktionalität des Schiefers bzw. des Schieferdaches. In wenigen Fällen zeigen Schiefer graue bis hellgraue oberflächliche Flecken. Die Herkunft der Flecken ist unbekannt. Sie haben keinen Einfluss auf das Verwitterungsverhalten oder die Haltbarkeit eines Schiefers, können aber einen ästhetischen Makel darstellen. Diese Flecken können auf einem Schiefer nach einer gewissen Zeit (Monate–Jahre) auf dem Dach erscheinen, danach aber auch wieder verschwinden. Die meisten Schiefer sind schwarz bis grau, manchmal mit bläulichen Tönen, wobei hier der organische Kohlenstoff (Corg) Hauptbestandteil ist. Karbonatminerale können bei der Verwitterung zu hellgrauen Schiefern führen. Die Sedimentation entlang aktiver Kontinentalränder mit Backarc-Becken und aktiven Vulkanen in Form von Inselbögen verursacht eine Grün- oder Rotfärbung der Schiefer. Vulkanische Aschen haben einen höheren Anteil an

52 Abb. 4.11  a, b, c Bildung von Rissen, die anschließend durch eindringenden Quarz oder Kalzit verheilt werden (bei Schiefer handelt es sich oft um Quarz). d, e Auf den Fotos  kann man sehr gut den vertikalen Versatz im Uhrzeigersinn und das Versiegeln durch Quarz erkennen (e ist ein Detail von d)

4  Eigenschaften von Schiefer a

d

b

c

e

Abb. 4.12  Beziehung zwischen den Anteilen an Eisenmineralen und Farben in eisenhaltigen Schiefern. (Nach Tomlinson 1916)

e­ isenhaltigen Mineralen und Chlorit, was zu den genannten Farben führt. Grüne Schiefer findet man z. B. im Lake District (Coniston, Honister, Kirkstone, Langdale) oder olivgrüne bis graue Farbschiefer in Wales. Die größte Vielfalt an Schieferfarben findet sich in den Appalachen in den US-Bundesstaaten Vermont und New York (Abb. 8.13). Daraus ergeben sich unterschiedlichste Bezeichnungen für die verschiedenfarbigen Schiefer, die auch mögliche optische Veränderungen einschließen.

Die meisten Schieferprovinzen haben ihr ganz spezielles lokales Erscheinungsbild von Schiefer, was der Region natürlich auch eine Art architektonische Identität verleiht. Aber selbst wenn der Schiefer in einer Region als guter Schiefer gilt und die Menschen „ihren Schiefer“ wertschätzen, heißt das noch lange nicht, dass derselbe Schiefer in einer anderen Region gleichermaßen akzeptiert ist. Oftmals wird er aufgrund der „unpassenden“ Farbe von den Kunden dort abgelehnt. Farben können daher ein wichtiger

4.4  Optische Eigenschaften

53

a

b

c

d

e

Abb. 4.13  a Fassade an einem Haus in Freital (Sachsen) mit farbigen Schiefern aus Gauteng (Südfrika), wobei es sich um oberflächliche Farben handelt, b grünliche Färbung aufgrund von Reduktionsprozessen in violetten Schiefern (NYS, USA), c Dendrite: Natürliche und oberflächliche Flecken (Handstück), d violetter Penrhyn-Schiefer auf einem Dach in Saupsdorf (Sachsen), e weiße Schiefer für Ornamente an einer Fassade in Wilschdorf (Sachsen)

54

4  Eigenschaften von Schiefer

a

b

c

d

e

f

g

h

i

Abb. 4.14  a, b Glatte Glimmerlagen und eine relative hohe Glimmerlagendichte (60–80 Glimmerlagen pro Millimeter) führen zu einer glatten Spaltoberfläche und sauberen Kanten (spanische Schiefer), c, d raue Glimmerlagen und ein schneller Wechsel des Sedimentationsmusters führen zu einer rustikalen Spaltoberfläche und unregelmäßigen ausgefransten Kanten (c: Kaub, d: unbekannt), e, f dickere Decksteine aufgrund einer geringen Glimmerlagendichte (e: Allassac in Frankreich, f: Mähren-Schlesien), g–i Verschiedene Schiefer mit Karbonatmineralen wie Ankerit oder Kalzit, die eine Braunfärbung und/oder matte Oberfläche verursachen können

Faktor für die Definition der kommerziellen Qualität eines Schiefers sein, abhängig von den Vorlieben der Kunden in Bezug auf Farbvariationen und Farbschattierungen (leichte Farbabweichungen). Manchmal zeigen Schiefer einzelne Flecken oder Punkte (Abb. 4.13b), die das Ergebnis von Reduktionsprozessen sind (Cowie, 1992). Weißer bis leicht gräulicher Schiefer ist eher selten (Abb. 4.13e) und wurde z. B. für Schiefermuster an den Fassaden von Fachwerkhäusern in der südöstlichen Region Deutschlands (Lausitz) und dem angrenzenden tschechischen Lausitzer Gebirge (Lužické hory) verwendet. Die Quelle für diesen weiß-grauen Schiefer ist möglicherweise der Phycodenschiefer in Thüringen. Farbveränderungen zeigen sich zumeist als bräunliche Färbung, die vor allem durch Verwitterung der oft sichtbaren Eisensulfidminerale verursacht wird (Abschn. 5.5). Karbonat kann zu einer Aufhellung oder zu einem stumpfen Aussehen der Oberfläche eines Schiefers führen (Abb. 4.14g–i).

Ein weiteres Mineral ist das eisenhaltige Karbonatmineral Ankerit, das die Ursache für eine unerwartet auftretende bräunliche Färbung sein kann. Unerwartet, weil man die Ursachen für Braunfärbung meist in den Eisenmineralen vermutet. Ankerit kann nur mit einer mineralogischen Analyse (Röntgendiffraktometrie) bestimmt werden. Die genannten Erscheinungen sind Veränderungen, die zunächst nur das Aussehen des Schiefers beeinflussen. Letztendlich kann es aber auch zur Gipsbildung und schließlich zur völligen Verwitterung des Schiefers führen (Abschn. 5.4). Zu den spezifischen optischen Eigenschaften von Schiefer gehören die Glätte der Spaltfläche und der Schnittkanten sowie die Spaltstärken (Abb. 4.14a–f). Dieses Erscheinungsbild wird wahrscheinlich hauptsächlich durch die Morphologie der Glimmerlagen, das Sedimentationsmuster und den Gehalt an organischem Kohlenstoff (Corg) bestimmt. Es ist jedoch nicht möglich, den Einfluss der einzelnen Faktoren genau zu quantifizieren.

4.5 Festigkeiten

4.5 Festigkeiten Bei der Prospektion und Exploration neuer Schiefervorkommen ist es notwendig, die Festigkeitseigenschaften des Schiefers zu kennen, um einen sicheren und wirtschaftlichen Abbau gewährleisten zu können. Es gibt verschiedene Labortests zur Bestimmung der Festigkeitsparameter eines Gesteins, die nicht nur für die Anforderungen im Bauwesen, sondern auch für den Bergbau, die Verarbeitung und die Dachdeckung wichtig sind. Im Gegensatz zu den meisten Gesteinen ist Schiefer ein sehr anisotropes Gestein, d. h., die (mechanischen) Eigenschaften hängen stark von der Orientierung zur Schieferung ab. Die offensichtlichste anisotrope Eigenschaft eines Dachschiefers ist seine Spaltbarkeit, die der Schieferungsfläche folgt. Aufgrund der häufigsten Verwendung als Bedachungsmaterial wird hier die Biegefestigkeit als bedeutendster Parameter angesehen. Bei Bodenbelägen sollte die Härte oder Abriebfestigkeit bestimmt werden. Für Dachdecker ist die Härte wichtig, da sie den Schiefer auf dem Dach zurichten müssen, um ihn in eine bestimmte Form zu bringen. Speziell für den Bergbau sind Scherfestigkeit, Verformungsmodul und Kohäsion von Bedeutung, um die Stabilität und damit die Sicherheit eines Bergwerks zu berechnen. Die Versuche zur Bestimmung der einzelnen Festigkeitsparameter werden in Abschn. 3.4 beschrieben.

4.5.1 Festigkeitsanisotropie von Schiefer Dieser Abschnitt beschreibt den starken Einfluss der Anisotropie auf die Festigkeitsparameter eines Schiefers. In Abb. 4.15 sind die Werte des E-Moduls und der Druckfestigkeit in Abhängigkeit vom Belastungswinkel β zur

55

Schieferung dargestellt. Hier wird die starke Abhängigkeit der Festigkeit eines Schiefers von der Orientierung deutlich. Sowohl der Elastizitätsmodul als auch die einaxiale Druckfestigkeit erreichen ihre höchsten Werte parallel (β = 0°) und senkrecht zur Schieferung (β = 90°). Das zweite Maximum der Druckfestigkeit parallel zur Schieferung kann durch den vertikalen Spaltmechanismus des Schiefers erklärt werden: Das Glimmermineral Muskovit baut hauptsächlich die Schieferung auf und zeigt eine sehr gute Spaltbarkeit. Das zweite Maximum des Elastizitätsmoduls parallel zur Schieferung könnte durch den Muskovit bedingt sein, der einen Elastizitätsmodul von 176,6 GPa parallel zur Spaltfläche des Muskovitkristalls und von 60,9 GPa senkrecht dazu aufweist (McNeil & Grimsditch, 1993). Neben Donath (1961) führten Attewell und Sandford (1974) Versuche am Penrhyn-Schiefer (Wales) durch, um zu verstehen, wie die mechanische Anisotropie aufgrund der Schieferung das Festigkeitsverhalten steuert. Donath (1961) führte experimentelle Versuche zur Bestimmung des Zusammenhangs zwischen Scherversagen und der Orientierung der Anisotropie am MartinsburgSchiefer (Bangor in Pennsylvania, USA) durch. In seinen Versuchen übte er eine maximale Drucklast σ1 auf eine Probe mit verschiedenen Winkeln β zwischen σ1 und Schieferung aus, was den starken Zusammenhang zwischen der Orientierung der Schieferung und der Orientierung des Versagens verdeutlicht (Abb. 4.16). Die größten Scherfestigkeitswerte werden für β = 90° und die zweitgrößten Werte für β = 0° bei beiden Manteldrücken erreicht. Weiterhin kann man feststellen, dass die Scherfestigkeitswerte bei einem Orientierungswinkel β zwischen 15 und 45° am niedrigsten sind und das Minimum bei β = 30° liegt. Man kann auch aus diesem Versuch erkennen,

Abb. 4.15  Veränderungen des E-Moduls und der Druckfestigkeit in Abhängigkeit zur Orientierung der Schieferung innerhalb eines ein-axialen Druckversuches. (Daten: Braun, 2013)

56

4  Eigenschaften von Schiefer

Abb. 4.16  Scherfestigkeit und Orientierung zum Schieferungswinkel und Einfluss der Anisotropie auf den Bruchwinkel αf (nach Donath, 1961)

dass ein höherer Manteldruck die Werte nach oben verschiebt. Die Kurven Abb. 4.16c und d zeigen den Einfluss der Orientierung der Schieferung (β) auf den Bruchwinkel αf für die beiden unterschiedlichen Manteldrücke. Für βWerte zwischen 15 und 45° entwickelt sich der Bruch parallel zur Schieferung. Und selbst für β = 60° wird die Orientierung der Bruchebene durch die Spaltung beeinflusst. Für β-Werte > 60° verlassen wir den Einfluss der Schieferung und gelangen zum Versagenscharakter der Gesteinsmatrix. Bei β = 90° weist die Bruchspalte einen Winkel αf = 30° auf, was der übliche Bruchwinkel für isotrope Gesteine ist, d. h,. das Gestein hat eine minimale Scherfestigkeit. Man benötigt also zwei Versagenskriterien, um das Festigkeitsverhalten zu beschreiben: eines innerhalb des Einflusses der Spaltfläche und eines ohne diesen Einfluss in der Gesteinsmatrix (Twiss & Moores, 2007). Für Schiefer ist es unmöglich, die Matrix von der Schieferung zu unterscheiden, um beide Versagenskriterien anzuwenden, da die Glimmerschichten, die die Spaltfläche bilden, in einem Schiefer allgegenwärtig sind. Daher wird beim Ubiquitous-Joint-Modell lediglich ein spezifisches Versagenskriterium angewandt.

4.5.2 Biegefestigkeit Die Biegefestigkeit gilt als der wichtigste Festigkeitsparameter von Dachschiefern. Sie ist der einzige Festigkeitsparameter, der in der EN 12326 und der ASTM C 120 (ASTM, 2000b) gefordert wird. Im Vergleich zu anderen Gesteinen sind die Werte der Biegefestigkeit von Schiefer sehr hoch und decken somit auch einen größeren Wertebereich ab (Abb. 4.17).

Die Biegefestigkeit ist generell wichtig für auskragende Elemente in Konstruktionen oder auch für Elemente wie Architrave. Auf dem Dach und an der Fassade ist der Schiefer dem Wind ausgesetzt, der die Decksteine belasten kann. Neben der Biegefestigkeit selbst müssen Dachdecker darauf achten, die Decksteine nicht zu stark zu vernageln, damit sie nicht brechen und sich die Decksteine leicht bewegen können. Die Wirkung des Windes wird somit verringert. Schiefer muss auch der Belastung durch Schnee und Eis standhalten. Diese Belastung ist allerdings so gering, dass selbst die dem Autor bekannten niedrigsten Biegefestigkeitswerte von Dachschiefer dieser widerstehen. Die Dicke der Schnee-/Eisdecke und die Belastung stehen in einem linearen Zusammenhang (Abb. 4.18). Die Werte in Abb. 4.18 wurden mit einer Standardformel ermittelt (Abschn. 3.5). Betrachtet man den Durchschnittswert von ca. 55 MPa für die Biegefestigkeit von Schiefer und die außergewöhnlich niedrigen Werte von 16–28 MPa für dolomitische Schiefer aus Uruguay (Morales-Demarco et al., 2013), so wird deutlich, dass die Belastung durch eine Schnee- oder Eisdecke auf einem Dach keine entscheidende Gefährdung für die technische Funktionalität eines Schieferdaches darstellt. Mit anderen Worten: Der Lastwiderstand von Schieferplatten ist im Allgemeinen viel höher als die maximal zu erwartende Last für ein Schieferdach. Nur Schieferplatten aus Uruguay halten bei einer Dicke von 3 mm der Eislast gemäß der Gleichung nicht stand. Allerdings kann es generell beim Begehen des Daches zu Schäden kommen. Die Biegefestigkeit ist auch während der Produktion – beim Spalten, Fräsen und Stanzen – entscheidend, d. h., wenn der Dachdecker den Schiefer auf dem Dach, z. B. für Kehlen oder Ornamente, zurichten muss. Wenn Schiefer für

4.5 Festigkeiten

57

Abb. 4.17  Biegefestigkeiten verschiedener Gesteine. (Quellen: Peschel, 1977, für Schiefer: Prüfzeugnisse von Schieferproduzenten nach DIN-EN 12326-1/2 (DIN-EN, 2004/2014)

Abb. 4.18  Diagramm zur Eis- und (nasser) Schneelast bei verschiedenen Dachneigungen und Längen für einen 5 mm starken Deckstein. Die orange Linie mit dem Dreieckssymbol im oberen Diagramm steht für einen 3 mm starken Deckstein

Treppenstufen verwendet wird, kann die Biegefestigkeit je nach Konstruktion ebenfalls ein wichtiger Parameter sein. Bei Dachschiefern unterscheidet man zwischen der Biegefestigkeit in Längsrichtung (Längsbruchmodul) – das ist der Wert parallel zur Lineation – und der Biegefestigkeit in Querrichtung (Querbruchmodul) – das ist der Wert senkrecht zur Lineation Schichtung-Schieferung (Abb. 3.11). In Abb. 4.19 zeigen die Biegefestigkeiten deutliche Unterschiede zwischen den Schiefern aus Pennsylvania und den Schiefern aus Galizien oder dem Rheinischen Schiefergebirge, wobei letztere zu höheren Werten neigen. Es muss darauf hingewiesen werden, dass die Daten für alle US-amerikanischen Schiefer von Kessler und Sligh (1932) stammen und Unterschiede in den Prüfmethoden zu einer gewissen Verfälschung führen können.

Der Box-Whisker Diagramm in Abb.  4.19b sowie die Zahlen in Tab. 4.4 umfassen 293 Daten, die aus verschiedenen Quellen zusammengestellt wurden. Hier zeigt sich deutlich die große Spannweite der Werte der Biegefestigkeit für die einzelnen Schiefer, z. B. ist bei Schiefer aus Pennsylvania das Maximum doppelt so groß ist wie das Minimum. Abb. 4.19b zeigt Werte vom Querbruchmodul MoRquer wie auch vom Längsbruchmodul MoRlängs aus 388 Tests, woraus sich eine allgemeine Faustregel für das Verhältnis ableiten lässt. In der Fälle ist MoRlängs höher als MoRquer: • 65,5 % MoRlängs > MoRquer • 2,8 % MoRlängs = MoRquer • 31,7 % MoRlängs  T2. Die Temperaturleitfähigkeit α beschreibt, wie ein Stein/ Material die Wärmeenergie im Verhältnis zu seiner Fähigkeit, Wärmeenergie zu speichern, leitet. Die spezifische Wärmekapazität cp ist der Ausdruck für die Eigenschaft eines Stoffes, thermische Energie zu speichern.

ρ · cp mit: α = Temperaturleitfähigkeit (m2 s−1). ρ = Materialdichte (kg m−3). cp = spezifische Wärmekapazität (J kg−1 K−1). Die Beziehung zwischen Temperaturleitfähigkeit α und Effusivität ist wie folgt:

α=

2 e2

mit: e = Wärmeeindringkoeffizient (W s0,5 m–2 K–1). Mit zunehmendem Anteil an Mineralien wie Quarz oder Feldspat, sollte die Wärmeleitfähigkeit bei Gesteinen steigen. Das bedeutet, dass hellere Gesteine generell eine höhere Wärmeleitfähigkeit als dunkle Gesteine haben. Hoigard und Scheffler (2007) argumentieren im Gegensatz dazu, dass es keinen absoluten Zusammenhang zwischen der Farbe eines Gesteins und seiner Wärmeausdehnung gibt. Ein möglicher Grund dafür könnte der Einfluss des Gefüges eines Gesteins auf sein thermisches Verhalten sein. Allerdings ist festzuhalten, dass es noch keine exakten Erkenntnisse gibt, die eine Quantifizierung des Zusammenhangs zwischen Petrographie, Gefüge und dem thermischen Verhalten eines Gesteins erlauben.

Abb. 4.37  Thermische Leitfähigkeit von Dachschiefern aus dem Rheinischen Schiefergebirge, Harz und Frankenwald (nach Langheinrich, 1983)

Die Wärmeleitfähigkeit von Schiefer liegt im Bereich der Wärmeleitfähigkeit der meisten Werksteine. In Abb. 4.36 kann man sehen, dass Sandsteine vergleichbar niedrige Werte aufweisen, was wahrscheinlich auf die hohe Porosität zurückzuführen ist. Langheinrich (1983) hat die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Schiefer aus unterschiedlichen Gebieten in Deutschland gemessen (Abb. 4.37 und Tab. 4.15). Die Ergebnisse zeigen erhebliche Unterschiede: Die niedrigsten Werte wurden senkrecht zur Schieferung gemessen, während die höchsten Werte parallel zur Lineation Schichtung-Schieferung erreicht wurden (für Lineation siehe Abb. 2.8h). Die mittlere Leitfähigkeit läuft normalerweise auf das Maximum der Wärmeleitfähigkeit innerhalb der Schieferung zu (Tab. 4.16). Diese thermische Anisotropie des Schiefers ist vor allem auf die starke Ausrichtung der schieferbildenden Minerale, nämlich von Quarz und den Glimmermineralen Illit/Muskovit, zurückzuführen, die jeweils ihre eigene spezifische thermische Anisotropie aufweisen (Abb. 4.35). Illit/Muskovit haben einen „Anisotropiefaktor“ von etwa 6 und Quarz von etwa 1,7 (Langheinrich, 1983). Im Gegensatz dazu existiert zwischen dem Parameter des Kristallinitätsgrades von Illit einerseits und jenem der Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit anderseits keine eindeutige Korrelation. Außerdem weisen die Werte für Schiefer in Tab. 4.15 auch darauf hin, dass die Schieferung nicht zu einer höheren Anisotropie führt. Die Werte der Wärmediffusivität senkrecht zur Schieferung und der entsprechende ­Anisotropiekoeffizient für Nr. 9–11 wurden korrigiert (pers. Mitt. Frau Labus 2021). Die Wärmeausdehnung wird durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten α ausgedrückt. Bei der Messung der Wärmeausdehnung werden die Änderungen der verschiedenen Längen zusammen mit der Temperaturänderung

76

4  Eigenschaften von Schiefer

Tab. 4.15  Thermische Leitfähigkeit, Wärmeeindringkoeffizient und Wärmediffusivität von Dachschiefern (S1 = Schieferung; Proben Nr. 1–12 aus Labus et al., 2019, von mährisch-schlesischen Schiefern; Nr. 13–20 aus Langheinrich, 1983, von Rheinischen Schiefern; Nr. 22–27 Tonsteine aus Labus & Labus, 2018)

Nr

1

2

3

4 5

6

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

21 22 23 24 25 26 27

Schieferprovinz

Mokřinky (Anna Grube) Mokřinky (Nittmann Grube) Zalužné (Raabové Doly) Lhotka Čermná (früher Žlutý Květ Grube) Čermná (Čermenský Mlýn) Stará Oldřůvky Stará Voda Vendryně Třinec Ostravice Nuttlar Scaevola Schwalefeld Gomer Grube Sperlingslust Nesselbach Felicitas Felicitas Grube Rheinst,/ Kaub Pfannengrube (Harz) Tonstein Tonstein Tonstein Tonstein Tonstein Tonstein

Thermische Leit- Anisotropie Wärmeeindringkoeffizient fähigkeit Koeffizient e [W s0,5 m–2 K–1] λ [W/m–1 K–1] parallel zu normal parallel zu senkrecht zu S. 1 zu S. 1 S. 1 S. 1

Anisotropie Koeffizient

3,65

1,61

2,3

2814,6

1798,3

1,6

16,8

8

2,1

3,92

1,52

2,6

2877,5

1724,8

1,7

18,6

7,8

2,4

3,42

1,43

2,4

2660,4

1674,3

1,6

16,5

7,3

2,3

3,7 3,61

1,79 1,52

2,1 2,4

2780,6 2741,0

1866,8 1725,1

1,5 1,6

17,7 17,3

9,2 7,8

1,9 2,2

3,58

1,65

2,2

2782,4

1762,8

1,6

16,6

8,7

1,9

3,72

1,71

2,2

2775,6

1897,2

1,5

17,9

8,1

2,2

3,49 2,86 2,69 3,02 2,81 3,43 3,94 3,27 3,06

1,51 2,65 2,40 1,99 2,97 3,27 3,81 3,22 3,1

2,3 1,1 1,1 1,5 0,9 1,0 1,0 1,0 1,0

2669,5 2396,1 2319,8 2473,7

1726,4 2295,3 2176,1 1968,9

1,5 1,0 1,1 1,3

17,1 14,2 13,4 14,9

7,6 10,9 11,2 14,9

2,3 1,3 1,2 1,0

2,97 3,27 3,43 4,23

2,85 3,31 3,48 4,56

1,04 1,0 1,0 0,93

2,47

2,93

0,84

2,22 4,49 2,68 3,95 4,78 4,25

1,34 6,06 1,54 1,32 1,32 1,12

1,7 0,7 1,7 3,0 3,6 3,8

2085,4 3122,3 2310,2 2891,2 3060,0 2913,4

1622,9 3734,9 1730,9 1428,3 1608,1 1495,6

1,7 1,0 1,9 1,1 1,1 1,1

11,3 20,7 13,4 18,6 24,4 21,3

6,8 26,3 7,9 8,6 6,7 5,6

1,7 0,8 1,7 2,2 3,6 3,8

gemessen. Die Formel beschreibt die Längenänderung, d. h. die Änderung in nur einer Dimension. Somit handelt es sich auch um einen lineareren Wärmeausdehnungskoeffizient. Die Beziehung Temperatur – Wärmeausdehnung ist nicht linear, wenn man einen großen Temperaturbereich betrachtet. Für gängige Temperaturbereiche zwischen −30 und

Wärmediffusivität α [mm2 s−1]

Anisotropie Koeffizient

parallel zu normal S. 1 zu S. 1

40 °C kann man jedoch eine lineare Beziehung (Abb. 4.38) ableiten und diese Beziehung betrifft Werksteine. Die Messung der Werte wird in Abschn.  ­ 3.2 beschrieben.­ Der Wärmeausdehnungskoeffizient kann z. B. für Fußböden oder Fassaden von Bedeutung sein. Wird Schiefer zur Dacheindeckung oder Verkleidung im klassischen, überlappenden

4.8  Hygrische und hydrische Eigenschaften

77

Abb. 4.38  Messungen der thermischen Dehnung und des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Dachschiefer zeigen die mehr oder weniger lineare Beziehung zwischen Längenänderung und Temperatur

Tab. 4.16  Thermische Ausdehnungskoeffizienten α. (Eigene Daten, Werte aus Uruguay von Morales-Demarco et al., 2013)

Schieferprovinz

α parallel zur Schieferung [*10–6/K−1]

Manada Vieja, Galizien, Spanien Gallegas, Galizien, Spanien Fredeburg, Westphalen Lehesten, Thüringen Cuddapah, Indien Lavalleja, Uruguay Lavalleja, Uruguay Lavalleja, Uruguay

11,1 11,5 10,0 11,8 12,7 9,0 9,6 10,3

α senkrecht zur Schieferung [*10–6/K−1]

11,7 11,1 13,3

Stil verwendet, ist das thermische Verhalten eher unwichtig, da sich jeder Deckstein frei ausdehnen kann und kein Druck entsteht. Es gibt keine Fugen, die zu einem Bruch oder ­Verbiegen führen. Abb.  4.39 zeigt die Wärmeausdehnung für verschiedene Schiefer für 1 m Länge. Die thermische Ausdehnung nimmt mit höheren Temperaturänderungsraten zu (Abb. 4.39). Betrachtet man die maximale Temperatur für Steinoberflächen von 70 °C auch unter sehr heißen klimatischen Bedingungen und summiert eine Änderung der Temperatur innerhalb des Schiefers von 50 °C, so beträgt die maximale Ausdehnung parallel zur Spaltfläche für Schiefer allgemein 0,64 mm/m und für dolomitische Schiefer 0,51 mm/m auf der Basis der untersuchten Schiefer. Die dolomitischen Schiefer ­zeigen generell geringere Werte und ihre Ausdehnung ist senkrecht zur Schieferung immer höher. Der Anisotropiekoeffizient  der parallelen und senkrechten thermischen Ausdehnung variiert zwischen 1,02 und 1,35 mit einem ­ Durchschnittswert von 1,19.

4.8 Hygrische und hydrische Eigenschaften Die hygrischen und hydrischen Eigenschaften umfassen die Wasserdampfdiffusion, die Absorption, die kapillare Wasseraufnahme und die Gesamtwasseraufnahme. Wird ein Gestein einer Umgebung mit einer relativen Luftfeuchtigkeit bis zu 95 % ausgesetzt, spricht man von hygrischer Ausdehnung. Bei einem Gestein, welches Wasser ausgesetzt ist (100 % rel. Feuchte), verwendet man den Begriff hydrische Ausdehnung.

4.8.1 Feuchtetransport in Gesteinen Wasser bzw. der Feuchtigkeitsgehalt in einem Gestein ist entscheidend für Verwitterungsprozesse, deshalb ist es sehr wichtig, die verschiedenen Transportmechanismen von Wasser in Gesteinen zu verstehen. Hier können wir zwischen Wasserdampfdiffusion und Flüssigkeitstransport unterscheiden. Der Begriff Diffusion beschreibt die Bewegung von Teilchen wie Atomen, Molekülen und Ionen aus Bereichen mit hoher Konzentration in Bereiche mit niedriger Konzentration (Abb. 4.40). Dieser Prozess findet in Gasen und Flüssigkeiten statt. Das Ergebnis können zufällig und gleichmäßig verteilte Teilchen ohne Konzentrationsgradient sein. Die Wechselwirkung zwischen Wasserdampfdiffusion und Flüssigkeitstransport ist in Abb. 4.41a dargestellt (Künzel, 1995): Im Winter hat man innerhalb eines Gebäudes eine höhere Temperatur und damit einen höheren Dampfdruck, somit ist außerhalb eines Gebäudes die relative Feuchte höher. Das heißt, die Gradienten von Dampfdruck und relativer Feuchte verhalten sich genau umgekehrt. In einem mehr oder weniger trockenen Gestein verläuft die

78

4  Eigenschaften von Schiefer

Abb. 4.39  Werte der thermischen Dehnung senkrecht und parallel zur Schieferung für unterschiedliche Temperaturen; bei den Schiefern aus Uruguay handelt es sich um dolomitische Schiefer (Quelle: MoralesDemarco et al., 2013)

Wasserdampfdiffusion von innen nach außen, während das adsorbierte Wasser aufgrund der hohen Adhäsionskraft unbeweglich ist. Wasserdampf ist die unsichtbare, gasförmige Phase des Wassers und wird sich immer in Richtung der Bereiche mit geringerem Dampfdruck bzw. geringerer Konzentration bewegen. Dabei handelt es sich um die sog. Wasserdampfdiffusion. Die Richtung der Wasserdampfdiffusion erfolgt immer in Richtung des Bereichs der trockenen Luft. Die untere Zeichnung in Abb. 4.41b zeigt die „Knudsen-Diffusion“, die meist in langen Poren mit engem Durchmesser auftritt und die typische Zickzack-Bewegung zeigt. Bei steigendem Feuchtegehalt werden die Wände der Kapillaren (= Poren) mit einem dünnen Wasserfilm überzogen, dessen Dicke aufgrund der höheren relativen Feuchte nach außen hin zunimmt (Abb. 4.41a). Je di-

a

b

Abb. 4.40  Diffusion von Partikeln: a Partikel mit Konzentrationsgradienten und b gleichmäßig verbreitete Partikel nach Transport durch Diffusion

cker der Wasserfilm ist, desto beweglicher sind die Wassermoleküle und wandern in Richtung des dünneren Bereichs. Diesen Vorgang bezeichnet man als Oberflächendiffusion, und er ist Teil des Flüssigkeitstransports. Die Oberflächendiffusion bewegt sich entgegengesetzt zur Wasserdampfdiffusion und reduziert dabei den Feuchtetransport von innen nach außen. Ab einem bestimmten Punkt steigender Feuchte ist der Kapillartransport der Hauptmechanismus, der einen umgekehrten Feuchtetransport bewirkt (Künzel, 1995). Unter Lösungsdiffusion versteht man die Bewegung von Wassermolekülen in einer Flüssigkeit, in der Wasser gelöst ist. Klopfer (1974) stellte einen Zusammenhang zwischen der Porengröße und dem Wassertransport her und konnte drei verschiedene Bereiche für die unterschiedlichen Feuchtetransportmechanismen ausmachen (Abb.  4.41b). Für Poren  1 mm (= Makroporen) wird der Flüssigkeitsstrom wichtig, wenn die Makroporen mit Wasser gefüllt sind.

4.8.2 Wasseraufnahme Die Wasseraufnahme gibt die Differenz zwischen dem Trockengewicht und dem Gewicht einer Probe an, die für eine bestimmte Zeit vollständig in Wasser eingetaucht war. Die Wasseraufnahme wird auch als (Gesamt-)Wasseraufnahme bezeichnet.

Abb. 3.4 zeigt den Unterschied zwischen der Bestimmung der Wasseraufnahme durch vollständiges Eintauchen von Dachschiefern und anderen Steinen. Wird ein Schiefer für andere bauliche Zwecke wie z. B. Wände verwendet, sollte das gleiche Prüfverfahren mit einem Würfel angewendet werden. Die rechte Zeichnung veranschaulicht die unterschiedliche Vorgehensweise bei der Bestimmung des Wasseraufnahmekoeffizienten. Die Wasseraufnahme hängt stark mit der effektiven Porosität zusammen, d. h. je höher die effektive Porosität, desto höher die Wasseraufnahme. Kessler und Sligh (1932) untersuchten 343 Schieferproben aus verschiedenen Lagerstätten in den Vereinigten Staaten. Die untersuchten Schiefer lagen bis zu 131 Jahre auf dem Dach. Sie führten Wasserlagerungsund Trocknungsversuche an Schieferplatten durch, die für eine geringe Witterungsbeständigkeit bekannt waren. In der ersten Untersuchungsphase bestand ein Zyklus aus einer 17-stündigen Trocknungszeit bei 110 °C und einer anschließenden Wasserlagerung von 7 h. Nach 30 Zyklen wurden erste Anzeichen von Zerfall festgestellt, gefolgt von einer fortschreitenden Zersetzung in weniger als 50 Zyklen. Danach wurde der Test mit einer Trocknungstemperatur von 50 °C modifiziert und in zwei Phasen mit jeweils 100 Zyklen (Abb. 4.42) aufgeteilt. Es stellte sich heraus, dass bei diesem Test auch eine Verschlechterung auftrat, aber mit viel geringeren Raten. Die jährlichen Änderungsraten der Absorption lagen nach 200 Zyklen etwa bei 1/20 der Änderungen.

80

4  Eigenschaften von Schiefer

Abb. 4.42  Bewitterungszyklen von Kessler und Sligh (1932)

Abb. 4.43  Beziehung zwischen Festigkeitsverlust und Zunahme der Wasserabsorption nach 20 Jahren natürlicher Verwitterung und Zunahme der Wasserabsorption durch Wasserlagerung-/TrocknungsTest von Schiefern aus unterschiedlichen USSchieferprovinzen (Pa: Pennsylvania; nach Kessler & Sligh, 1932)

[M.-%]

Da sie davon ausgingen, dass eine zunehmende Wasseraufnahme und eine abnehmende Festigkeit Anzeichen für eine Verschlechterung sind, berechneten sie die „Absorptionszunahme“ und den „Festigkeitsverlust“ für 20 Jahre Verwitterung (Abb. 4.43 und 4.20). Diese ­Diagramme zeigen, dass die Zyklusergebnisse denen der tatsächlichen Verwitterung ähnlich sind. Walsh (2008) identifizierte Veränderungen natürlich verwitterter Schiefer und konnte diese Effekte während der experimentellen Verwitterung durch Anwendung von Wasserlagerungs-/Trocknungs-Zyklen rekonstruieren. Die Veränderungen betrafen die Wasseraufnahme und Kristallinität der Hauptminerale. Ihre Ergebnisse bestätigen die Aussage von Kessler und Sligh (1932), nämlich dass die deutlichsten Veränderungen bei Schiefer mit geringer Verwitterungsbeständigkeit festgestellt werden können. Walsh (2008) untersuchte Schieferproben der Größe 50 × 50 mm, wobei die experimentelle Verwitterung nach dem British Standard BS 680 durchgeführt wurde, d. h. Trocknen der Proben bis zu einem konstanten Gewicht bei anschließendem Kochen der Proben für 48 h und Wiegen.

Die Ergebnisse werden in Prozent Gewichtszunahme angegeben. Diese Methode beschleunigt den Prozess und erreicht schneller ein Gleichgewicht als andere Normen wie z. B. die EN 12326. Die ASTM C 121 (ASTM, 1999a) erlaubt ebenfalls die Verwendung von kochendem Wasser (Abschn. 3.6.3). Es ist eine eine sehr geringe Zunahme der Wasseraufnahme nach der Versuchsbewitterung zu erkennen, aber nicht für alle Schiefer (Tab.  4.17). Bei zwei Schieferplatten blieb die Wasseraufnahmerate unver­ ändert. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Bestimmung der Wasseraufnahme allein kein Parameter für zuverlässige Aussagen über das Verwitterungsverhalten und die Lebensdauer eines Schiefers oder Gesteins im Allgemeinen ist. Tab. 4.18 zeigt Werte der Wasseraufnahme von verschiedenen Schieferarten. Sie wurden nach unterschiedlichen Normen ermittelt, sodass die Werte der US-Schiefer nicht direkt mit denen der Schiefer aus Europa vergleichbar sind.

4.8.3 Hydrische Dehnung Die Änderung der Abmessung von Gesteinen, die Wasser ausgesetzt sind (100 % rel. Feuchte), wird mit dem Begriff hydrische Expansion beschrieben. In Tab. 4.19 sind Werte für die hydrische Dehnung von Schiefern und Tonsteinen parallel und senkrecht zur Schieferungs- bzw. Schichtungsebene aufgeführt. Darüber hinaus haben Morales-Demarco et al. (2013) die hydrische Dehnung für die dolomitischen Schiefer aus Uruguay gemessen. Die Werte liegen hier zwischen 0,01– 0,08 mm/m parallel zur Schieferung und 0,2–0,55 mm/m senkrecht dazu.

(Wasserlagerung-Trocknungs-Test)

4.8  Hygrische und hydrische Eigenschaften

81

Tab. 4.17  Wasseraufnahme von verwitterten und frischen Schiefern gleicher Herkunft und mittlere Wasseraufnahme vor und nach labormäßigem Verwittern (nach Walsh, 2008)

Quellen

Alter [Jahre]

Neue Schiefer

Benutzte Schiefer

Welsh grey

Westküste von Schottland Glasgow London Edinburgh

Welsh purple Cumbrian green Ballachulish

Wasseraufnahme [W.-%]

Hauptzunahme pro 100 Jahre [%]

Neue Schiefer

Benutzte Schiefer

106

0,10

1,50

1320

105 105

0,10 0,18

0,23 0,65

121

0,05

0,20

Anzahl von Proben und Bewitterungszyklen

Wasseraufnahme [W.-%]

Mittlere Zunahme pro 100 Zyklen [%]

Anfang

Ende

5 (159)

0,11

0,12

6

124 217

2 (167) 2 (145)

0,20 0,25

0,22 0,25

6 0

286

5 (121)

0,11

0,11

18

Tab. 4.18  Wasseraufnahme von verschiedenen Schiefern (Quellen: US-Schiefer: Kessler & Sligh 1932 nach ASTM C 406

(ASTM, 2000a); Neufundland: nach BS 680 (BS, 1971), Wood, 1998; Thüringen: Schubert & Steiner 1970; Galizien/ Spanien: DIN 52201 (DIN, 1985); Uruguay: Morales-Demarco et al., 2013 DIN 13775; Westfalen: Heiß, 1993; Eifel: DIN 52103 (DIN , 1986); Hunsrück: DIN 52201 (DIN, 1985)) Schieferprovinz

Wasseraufnahme[M.-%] Schiefervarietät/Lokation

Wasseraufnahme [Mass-%]

Monson? (Maine, USA) Hard Vein (Pennsylvania, USA) Bangor (Pennsylvania, USA) Pen Argyl (Pennsylvania, USA) Wind Gap (Pennsylvania, USA) Slatington (Pennsylvania, USA) Arvonia Slate (Virginia, USA) Random Island Slate Green Slate (Neufundland, Canada)

0,05 0,16 0,28 0,30 0,38 0,29 0,06 0,27

0,23 0,16 0,30 0,59 0,71 0,28 0,22 0,05

Random Island Slate Purple Slate (Neufundland, Canada)

0,35

Blauer Stein (Thüringen)

0,32

Dunkler Stein (Thüringen)

0,22

Margarete (Eifel) Katzenberg (Eifel) Bocksberg-Eschenbach (Hunsrück) Carbajal de la Romana (Galizien, Spanien)

0,33 0,26 0,18 0,25

Casayo (Galizien, Spanien) Castrellos (Galizien, Spanien) Gatomexon (Galizien, Spanien) Rocaber (Galizien, Spanien) Rocaber (Galizien, Spanien) Anpeal (Galizien, Spanien) Itasi (Galizien, Spanien) Arroyo Mataojo (Lavalleja, Uruguay) Arroyo Minas Viejas (Lavalleja, Uruguay) Arroyo Minas Viejas (Lavalleja, Uruguay) Arroyo Minas Viejas (Lavalleja, Uruguay) Grube Brilon (Westphalen) Grube Brandholz II (Westphalen) Grube Gomer (Westphalen)

0,12 0,07 0,24 0,5 0,6 0,5

82

4  Eigenschaften von Schiefer

Tab. 4.19  Hydrische Dehnung senkrecht und parallel zur Schieferung und Schichtung; *) Proben spalteten sich nach Messung entlang der Schichtung auf (CZ = Tschechische Republik; alle Tonsteine von Minas Gerais, Brasilien; || = parallel zur Schieferung/Schichtung; ⊥ = senkrecht zur Schieferung/Schichtung)

Probe

Probengröße (mm)

Dehnung nach 24 h [mm/m]

Dehnung nach 7 Tagen [mm/m]

Wasseraufnahme nach 7 Tagen [M.%]

Fredeburg-Schiefer 1 ⊥ Fredeburg-Schiefer 2 ⊥ Fredeburg-Schiefer 3 ⊥ Fredeburg-Schiefer 1 || Fredeburg-Schiefer 1 || Fredeburg-Schiefer 1 || Nové Těchanovice (CZ) ⊥ Nové Těchanovice (CZ) || Svobodné Heřmanovice (CZ) ⊥ Svobodné Heřmanovice (CZ) || Grauer Schiefer (China) 1 ⊥ Grauer Schiefer (China) 2 ⊥ Grauer Tonstein 1 ⊥ Grauer Tonstein 2 ⊥ Grauer Tonstein 1 || Grauer Tonstein 2 || Schwarzer Tonstein 1 ⊥ Schwarzer Tonstein ⊥* Schwarzer Tonstein 1 || Schwarzer Tonstein 2 || Grüner Tonstein 1 ⊥ Grüner Tonstein 2 ⊥ Grüner Tonstein 3 ⊥ Grüner Tonstein 4 ⊥ Grüner Tonstein 1 || Grüner Tonstein 2 || Grüner Tonstein 3 || Grüner Tonstein 4 || Farbiger Tonstein 1 ⊥ Farbiger Tonstein 2 ⊥ Farbiger Tonstein 3 ⊥* Farbiger Tonstein 4 ⊥ Farbiger Tonstein 1 || Farbiger Tonstein 2 || Farbiger Tonstein 3 || Rötlicher Tonstein ⊥ Rötlicher Tonstein ||

50 × 50 × 50

1,780 1,715 2,086 0,223 0,162 0,233 1,989 0,131 1,119 0,125 0,288 0,180 0,176 0,129 0,077 0,078 1,109 1,325 0,118 0,078 0,365 0,272 0,045 0,397 0,235 0,079 0,238 0,337 0,988 0,947 1,640 1,440 0,157 0,028 0,044 0,267 0,257

2,603 2,491 2,942 0,407 0,453 0,447 2,877 0,338 1,206 0,125 0,514 0,462 0,479 0,478 0,136 0,136 1,841 2,378 0,256 0,233 0,958 0,770 0,606 0,902 0,373 0,197 0,358 0,436 1,737 1,749 2,618 2,393 0,251 0,153 0,183 0,511 0,425

0,35 0,34 0,37

50 × 50 × 50 50 × 50 × 20 50 × 50 × 50 50 × 50 × 50

50 × 50 × 50

50 × 50 × 30

50 × 50 × 30

50 × 50 × 20

0,49 0,53 0,12 0,11 0,22 0,22

0,37 0,38

0,38 0,36 0,35 0,38

0,42 0,41 0,50 0,42

0,44

Literatur

83

Abb. 4.44  Hydrische Dehnung von Schiefern und Tonsteinen parallel und senkrecht zur Schieferung (Schiefer) oder Schichtung (Tonsteine) im Vergleich zu anderen Werksteinen (Quelle für andere Werksteine: Siegesmund & Dürrast, 2014)

Das Diagramm in Abb. 4.44 zeigt den auffälligen Unterschied der Rate der hydrischen Dehnung abhängig von der Orientierung zur Schichtung und Schieferung. Für beide Gesteinstypen erreicht die Rate senkrecht zur Schichtung und Schieferung höhere Werte. Der Hauptgrund hierfür kann durch die Schichtsilikate erklärt werden, die Wasser in ihren Kristallschichten binden können.

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5

Verwitterung von Schiefer

5.1 Einführung und Umweltbedingungen Dem Autor sind keine Untersuchungen des Verwitterungsverhaltens von Schiefer bekannt, die Schiefer mit unterschiedlichen Eigenschaften und unterschiedlichem oder ähnlichem Schadensbild unter Berücksichtigung des Einflusses der Umweltbedingungen umfassen. Darüber hinaus fehlen zum Verständnis des Verwitterungsverhaltens umfängliche Analysen der verschiedenen Parameter mit den gleichen Methoden. Unabhängig davon sind die Einflüsse der einzelnen Verwitterungsprozesse auf das Gestein kaum zu quantifizieren. Im Gegensatz zur Verwitterung von Gesteinen in geologischer Zeitdimension geht es hier um die Lebensdauer des Werksteins Dachschiefer am Gebäude. Ob die Funktionsfähigkeit eines Schieferdaches für 20, 40, 80 oder mehr Jahre gegeben ist, lässt sich nur sehr schwer anhand von Untersuchungen bestimmen. Traditionell verwendete Schiefer können aber über die Lebensdauer eines Schieferdaches durchaus etwas aussagen, wobei auch hier die Unterschiede in den Aussagen bzgl. der Lebensdauer mitunter um mehrere Jahrzehnte voneinander abweichen. Die für die Verwitterung von Werkstein betrachtete Zeit liegt im Bereich von Jahrzehnten bzw. von Jahrhunderten. Die Untersuchung von Verwitterungserscheinungen an (historischen) Bauwerken ist Gegenstand der Konservierungswissenschaft. Ziel solcher Untersuchungen ist, Maßnahmen für die Erhaltung dieser Gebäude und Objekte zu definieren. Sandsteine und Kalksteine sind dabei die dominierenden „Zielgesteine“. Schiefer hat in der Konservierungswissenschaft keine wirkliche Bedeutung, wahrscheinlich weil er auf dem Dach liegt und damit aus dem Fokus gerät. Hinzu kommt, dass bei einem neuen Schieferdach der alte Schiefer meist einfach entfernt wird und die verbleibenden guten Decksteine ggf. wiederverwendet werden. Auch gibt es vergleichsweise wenig Bildhauerarbeiten wie Grabsteine, Epitaphe oder andere kunsthistorisch wertvolle Objekte aus Schiefer, sodass konservatorische Maßnahmen in

diesem Bereich wohl eher selten ergriffen werden. Es gibt jedoch ein sporadisches Bewusstsein für die Erhaltung des kulturellen Erbes in Bezug auf Schiefertraditionen, wie der Versuch der Revitalisierung von Schieferbrüchen in Schottland oder, zeitweise erfolgreich, in Dourgne (Frankreich, Abschn. 7.4.4). Die unterschiedlichen Verwitterungsprozesse hängen mit den klimatischen und mehr noch mit den Umweltbedingungen zusammen. In trockenen und warmen Regionen wird keine Frostverwitterung stattfinden, und in Gebieten mit unbelasteter Atmosphäre ist ein chemischer Angriff durch Schadstoffe unwahrscheinlich. In Küstenregionen hingegen muss man mit Veränderungen durch das natürlich vorkommende Salz Halit rechnen. Demnach ist es möglich, bestimmte Verwitterungserscheinungen entsprechend ihrer Bedeutung in den verschiedenen Regionen auszuschließen oder zumindest zu klassifizieren. Obwohl das regionale Klima Aufschluss über die allgemeinen Verwitterungsprozesse gibt, können die klimatischen Bedingungen in und an einem Gebäude sehr komplex sein und stehen deswegen bei der Untersuchung von Schadensbildern auch im Vordergrund. So ist es z. B. sehr wichtig, ob ein Gebäudeteil der Witterung ausgesetzt ist oder sich eher in einer Nische oder Ecke befindet (Abb. 5.1). Dächer sind z. B. deutlich exponiert und trocknen nach einem Regenfall meist sehr schnell. In Nischen hingegen kann Feuchtigkeit verbleiben und führt zusammen mit Luftschadstoffen zur Salzanreicherung und schließlich zu Schäden durch Salzeinwirkung. Befindet sich das Haus an einem mehr oder weniger feuchten Ort oder unter Bäumen, so kann es zu einer intensiven biologischen Besiedlung kommen (Abb. 5.12). Außerdem können unterschiedliche Verwitterungsprozesse zu einem einigermaßen gleichen Schadensmuster führen (Abschn. 5.2). Daher kann zwar eine visuelle Beobachtung oder Kartierung dieser Verwitterungsmuster hilfreich sein, um die verschiedenen Schäden zu klassifizieren und zu quantifizieren, allerdings

© Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer-Verlag GmbH, DE, ein Teil von Springer Nature 2023 J. Wichert, Schiefer als Werkstein, https://doi.org/10.1007/978-3-662-66045-4_5

85

86

5  Verwitterung von Schiefer a

b

c

Abb. 5.1  a Kirche in Cornia (Ligurien, Italien). Sehr gut sind hier die Unterschiede der Oberflächen zwischen der helleren, südwärts gewandten Fassade und b der Fassade in der Nische bzw. c Ecke zu sehen

kann man dabei nicht automatisch auf die Schädigungsmechanismen schließen. Dies ist nur durch eine zusätzliche Analyse zu erreichen. Die im 19. Jahrhundert begonnene Industrialisierung in der westlichen Welt führte vor allem in den Städten durch die Verbrennung von Kohle zu einer teilweise starken Luftverschmutzung mit Schwefeldioxid SO2. Diese Verschmutzung durch sauren Regen greift Baumaterialien an. In der späten zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts

wuchs das Bewusstsein für die allgemeinen negativen Auswirkungen auf die Umwelt. Infolgedessen wurden Gegenmaßnahmen als Reaktion auf die zunehmende Gefährdung der menschlichen Gesundheit wie auch der Wälder bzw. der Umwelt durchgeführt, was zu einem Rückgang der SO2-Immission seit den 1980er-Jahren führte. Im ehemals sozialistischen Teil Europas war die Verbesserung der Luftqualität stark mit den politischen Veränderungen seit 1989/90 verbunden, was wiederum mit der

5.1  Einführung und Umweltbedingungen

87

Abb. 5.2  Zunahme von SO2 in der Atmosphäre und Niederschlag im Gebiet von Ossegg (Nordböhmen) von den 1980er-Jahren bis 2002 (linker/oranger Balken = SO2, rechter/blauer Balken = Niederschlag). Mit den politischen Veränderungen 1989–90 ging auch eine Verringerung des sauren Regens einher (Daten: Meteorologisches Institut der Tschechischen Republik)

Schließung vieler Fabriken einherging. Abb. 5.2 zeigt exemplarisch die Luftverschmutzung mit SO2 für das als „Schwarzes Dreieck“ bezeichnete Gebiet an den Grenzen zwischen Deutschland, Tschechischer Republik und Polen (Abb. 5.3). Noch in den frühen 1990er-Jahren konnte der pH-Wert des Niederschlags in der Stadt Dresden < 4 betragen (H. Siedel, pers. Mitt., Nov. 2014). Messungen der Landesforstverwaltung Sachsen ergaben für die Jahre 1995/96 extrem niedrige pH-Werte bis < 3 in Nebelperioden im Winter (Daten: Webseite der Landesforstverwaltung 2017). Es ist allgemein bekannt, dass die Umweltbelastung durch Stickoxide, Ozon und Feinstaub (PM) in den letzten Jahrzehnten zugenommen hat. Der Feinstaub entsteht aus gasförmigen Stoffen, wie Schwefel- und Stickoxiden, Ammoniak und Kohlenwasserstoff. Quellen hierfür sind z. B. Autos, Heiz- und Kraftwerke oder Heizungen in Häusern. Für die Entstehung von Salzen gibt es verschiedene Quellen (Abb. 5.3). Eine Hauptquelle ist die Luftverschmutzung. Hier muss zwischen nasser Deposition in Form von Niederschlag oder Luftfeuchtigkeit, die gelöste Bestandteile enthält, und trockener Deposition in Form von Staub sowie der Reaktion von Gasen in der Luft (als SO2) mit nassen Gebäudeoberflächen unterschieden werden.

Hauptquelle ist der saure Regen, und hier konkret das Schwefeldioxid und die Stickoxide. Sie können zu Veränderungen von Sulfat- und Nitratsalzen führen. Wenn die schweflige Säure mit Karbonat reagiert, wird sie zu Gips. Eine weitere Quelle kann das Grundwasser oder die Bodenfeuchtigkeit sein, die verschiedene Komponenten enthält, die Salz hervorbringen können. Wenn ein Gebäudeteil, wie z. B. eine Wand, nicht vom Erdreich isoliert ist, wandert Wasser durch den Kapillarsog in das Mauerwerk ein. Bestandteile wie Kalzium, Chlorid, Sulfat und Bikarbonat, Natrium, Kalium und Magnesium sind im Wasser enthalten. Verdunstet das Wasser, kristallisieren sie als Salz aus. Tab. 5.1 zeigt Variationen der verschiedenen chemischen Komponenten aus fünf Grundwasseranalysen aus dem Gebiet des Zisterzienserklosters in Ossegg. Man sieht hohe Werte für Sulfat und Kohlendioxid, die wahrscheinlich durch den Eintrag aus der Atmosphäre verursacht wurden. Für das Gebiet ist geologisch wahrscheinlich auch der vulkanische Hintergrund eine wichtige Quelle. Auch in Regionen am Meer kann es zu einer Anreicherung von Salz in Gebäuden kommen. Ein sehr eindrucksvolles Beispiel für die Auswirkung von NaCl auf

88

5  Verwitterung von Schiefer

Abb. 5.3  Illustration: Quellen für Salze und deren Wechselwirkung mit dem lokalen Klima; Fotografie: Smog im Sommer im Gebiet um Ossegg (Nordböhmen), der durch die chemische Industrie und Ofenheizungen in den Haushalten innerhalb des „Schwarzen Dreieckes“ verursacht wird

Tab. 5.1  Analyse von Gehalten unterschiedlicher chemischer Komponenten in mg/L im Grundwasser von fünf Proben im Zisterzienserkloster von Ossegg (Böhmen), einem Gebiet mit jahrzehntelanger Umweltverschmutzung. (Quelle: Wichert et al., 2007)

Natrium

Kalium

Magnesium

Kalzium

Ammonium

Chlorid

Nitrate

27–19 Sulfat 96–1780

3–27 Mangan-II 1,1–14,9

14–320 Eisen-II 0,1–4,8

38–466 Kohlendioxid 62

0,1–3,7 Hydrogenkarb­onat 107–558

12–216 pH-Werte 6,5–7,0

0,5–5

­ ebäude ist das Johanniskloster von Stralsund an der OstG see. Teile des Klosters wurden im 17. Jahrhundert errichtet. Bei der Entsalzung wurden 60 kg NaCl aus 3 m3 einer Ziegelwand entnommen (Erich Pummer, pers. Mitt., Mai 2014). Ein weiterer natürlicher Hauptbestandteil ist Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre, das durch Niederschläge in das Grundwasser gelangen kann. Die Verwitterung natürlicher Gesteine durch Kohlendioxid ist als Karst bekannt, der die Auflösung von löslichen Gesteinen und Gesteinsbestandteilen wie Kalkstein (Kalzit), Gips oder Dolomit beschreibt. Eine andere Quelle für Salze ist Mörtel, der zum Mauern und für Fußböden verwendet wird. Er kann hydraulische Stoffe wie Puzzolan oder Trass (reaktive vulkanische Asche) enthalten. Zement enthält Kalium, Natrium und Sulfat, die ebenfalls Quellen für Salze sein können.

5.2 Klassifikation von Verwitterungsformen Wie bereits erwähnt, hat Schiefer nicht die Bedeutung in der Konservierungswissenschaft. Nichtsdestotrotz wird Schiefer als Werkstein für verschiedene architektonische Anwendungen verwendet, daher könnten sich Probleme

bzgl. Schädigung und die Frage nach möglichen Konser­ vierungsmaßnahmen wertvoller Objekte ergeben. Zumindest im deutschsprachigen Raum wurden u. a. von Hirschwald (1908) und De Quervain (1945) erste Begriffe hinsichtlich des Einflusses der Verwitterung auf Werksteine eingeführt. Eine erste anwendbare Klassifizierung von Verwitterungsformen wurde jedoch erst von Fitzner et al. (1995) aufgestellt. Als Leitfaden für die Beschreibung von Veränderungen dient heute das illustrierte Glossar über Steinverfall als international etablierter Standard, herausgegeben von ICOMOS-ISCS (International Scientific Committee for Stone). Dieses Glossar ist auf der Website von ICOMOS in verschiedenen Sprachen frei verfügbar. Es soll dazu dienen, eine gemeinsame Sprache unter Fachleuten aus den verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und der Denkmalpflege zu gewährleisten. Die Phänomene bzw. Begriffe werden bei der Schadenskartierung von Gebäuden oder Objekten verwendet, um einen Überblick über Art und Intensität der verschiedenen Schadensbilder zu erhalten. Zusammen mit verschiedenen Materialanalysen liefern sie Informationen für die Entscheidung über Erhaltungsmaßnahmen. Das Glossar umfasst sechs große Gruppen, die jeweils aus 2–11 Begriffen bestehen (Abb. 5.4). Die erste

5.2  Klassifikation von Verwitterungsformen

89

Abb. 5.4  Klassifikation und verwendete Begriff zu Verwitterungsformen von Werkstein (ICOMOS-ISCS, 2008)

Gruppe beinhaltet die allgemeinen Begriffe in Bezug auf Verwitterung und Gestein. Bei den anderen fünf Gruppen handelt es sich um Begriffe für Risse und Verformung, ­Ablösung, durch Materialverlust bedingte Merkmale, Verfärbung und Ablagerung sowie die biologische Besiedlung. Die folgende Beschreibung ausgewählter Phänomene, die für Schiefer relevant sind, ist dem ICOMOS-Glossar entnommen. Allgemeine Begriffe Verwitterung umfasst alle chemischen oder mechanischen Prozesse, durch die Gesteine, die der Witterung im Freien ausgesetzt sind, in ihren Eigenschaften verändert werden und zerfallen. Für Veränderungen der Materialeigenschaften, die nicht unbedingt eine Verschlechterung des Zustands unter dem Aspekt der Konservierung bedeutet, wird der Begriff Materialveränderung verwendet. Ein Schaden wiederum bezeichnet die menschliche Wahrnehmung eines Wertverlusts durch Verfall. Unter Verfall oder Zerfall sind alle chemischen oder mechanischen Veränderungen zu verstehen, die zu einem Wertverlust oder einer Einschränkung der Gebrauchsfähigkeit führen. Der Abbau oder eine Verschlechterung bedeutet die negative Veränderung des Gesamtzustands, der Qualität oder Funktionalität. Zerstörung oder Schädigung sind Prozesse, die eine Verschlechterung des Materialzustands, die Minderung der Qualität oder des Werts oder des Materialcharakters verursachen.

Diese Begriffe sind objektiv; das heißt, eine biologische Besiedlung durch Algen ist eine Veränderung. Aber individueller Geschmack oder die persönliche Einstellung können ausschlaggebend dafür sein, ob eine Veränderung als Verschlechterung empfunden wird, weil z. B. der ­Wiederverkaufswert sinkt. Wenn man also von Verwitterungs- und Schadenserscheinungen spricht, sollte man unabhängig von Empfindungen oder Einstellungen die entsprechenden Begriffe verwenden. Die folgenden Begriffe und Beschreibungen sowie Beispielfotos beziehen sich auf diese Einteilung und beschränken sich auf das allgemeine Verwitterungsbild von Schiefer. Zukünftige Beobachtungen können diese Klassifizierung erweitern und/oder verfeinern. Abschalen (Abb. 5.5a) Bezeichnet die Ablösung von Steinsubstanz in Form einer Schale oder eines Stapels von Schalen, welche nicht der Gesteinstextur folgen und sich wie Fischschuppen oder parallel zur Steinoberfläche ablösen. Die Dicke der Schalen bewegt sich allgemein zwischen einigen Millimetern und Zentimetern; sie ist wesentlich kleiner als die Fläche der Schale. Eine Unterart des Abschalens ist das Abschuppen, welches das Ablösen in Form von dünnen, flachen oder gebogenen Schalen von weniger als 1 mm bis hin zu einigen Millimetern Dicke, angeordnet wie Fischschuppen, bezeichnet. Ferner ist die Konturschale zu beobachten, bei der die Trennfläche zwischen Schale und gesundem Gestein

90

5  Verwitterung von Schiefer

a

b

c

d

e

f

g

h

i

j

Abb. 5.5  a Abschuppen an einem Grabstein in Bertrix (Belgien, Ardennen); b Schichtspaltung (hier: Schieferungsspaltung) eines Grabsteins in Martelange (Belgien, Ardennen); c Abplatzen an der Fassade der Kirche St. Matteo (Genua); d Aufblättern von Rußschiefern (Thüringen, frdl. Genehmigung Schiefermuseum Ludwigsstadt); e Abschälen einer dünnen Schale am Schiefermauerwerk der Basilica dei Fieschi (Cogorno, Italien); f Verfärbungen an der Kirche von Cornia (Ligurien, Italien); g Patina und biologische Besiedlung eines Schieferdaches in Brive-la-Gaillarde (Frankreich); h Verfärbung, verursacht durch Klammern an einer Schieferfassade in Monthermé (Ardennen, Frankreich); i Subfloreszenz – wahrscheinlich führt ein höherer Gehalt an Karbonatmineralen zu diesen charakteristischen weißen Rändern bei den Schiefern von Pen Argyl (Pennsylvania, USA); j Ausblühungen, verursacht durch Mörtel an einer Mauer aus Thüringer Schiefer in Lehesten

p­ arallel zur Gesteinsoberfläche verläuft. Im Fall von ebenen Oberflächen kann die Konturschale auch als „Abplatzung“ bezeichnet werden. Schichtspaltung (Abb. 5.5b, d) Schichtspaltung ist die Ablösung entlang von Schichtflächen oder Schieferungsflächen, nicht unbedingt v­ ertikal orientiert. Bei der Schichtspaltung ist eine mechanische Überbelastung nicht erkennbar beteiligt. Schichtspaltung zeigt Übergangsformen zum Aufspalten (Abb. 5.5b). Dicke und Form der

Schichten sind dabei variabel. Die Schichten können in jeglicher Richtung bezüglich der Steinoberfläche orientiert sein. Eine Unterart ist das Aufblättern (Abb. 5.5d). Es bezeichnet die Ablösung von zahlreichen dünnen Steinschichten (Zentimetermaßstab), die subparallel zur Steinoberfläche verlaufen. Die Schichten können sich verbiegen oder verdrehen, wie man es von Buchseiten kennt. Es ist nicht zu verwechseln mit dem Abschalen, da die Art der Ablösung vollkommen unabhängig von der Gesteinstextur ist.

5.3  Schäden durch mechanische Verwitterungsprozesse

Abschalen – dünne Schale (Abb. 5.5e) Absondern, Abfallen oder teilweise Ablösung einer oberflächlichen Schicht (Schichtdicke weniger als 1 mm oder im Millimeterbereich), welche das Aussehen eines Films oder Überzugs hat, der auf die Oberfläche aufgebracht wurde. Geeigneter für Schiefer ist hier der in der Praxis ­benutzte Begriff Abschiefern, der in diesem Buch auch verwendet wird (Abb. 5.9). Verfärbung (Abb. 5.5f, h) Umfasst die Änderung der Steinfarbe unter Bezug auf einen der drei Farbparameter Farbe, Farbhelligkeit, Farbsättigung. Farbe bezieht sich auf die wichtigste Farbeigenschaft, während Farbhelligkeit sich auf den Dunkelwert (tiefer Farbton) oder Helligkeitswert (heller Farbton) einer Farbe bezieht. Die Farbsättigung bezieht sich auf die Farbreinheit. Farben mit hoher Farbsättigung erscheinen satt und voll, während Farben mit niedriger Farbsättigung trüb und grau erscheinen. Verfärbung darf nicht mit Patina, Verschmutzung oder Ablagerung verwechselt werden. Unterarten der Verfärbung sind: • Färbung ist eine Veränderung in Farbwert, Helligkeit und/oder eine Zunahme der Farbsättigung; • Bleichung („Verblassen“) ist eine Zunahme der Farbhelligkeit aufgrund der chemischen Verwitterung von Mineralen (z. B. Eisen- oder Mangan-Komponenten), der Extraktion von färbenden Bestandteilen („Auslaugung“, „Auswaschung“) oder des Verlusts der Politur; • Feuchtebereich bezieht sich auf die Dunklung (geringere Farbhelligkeit) der Oberfläche durch Feuchtigkeit. Die Bezeichnung „Feuchtebereich“ wird gegenüber Begriffen wie „Feuchteflecken“, „Feuchtezone“ oder „sichtbare Durchfeuchtung“ bevorzugt; • Fleckenartige Verfärbung begrenzter Größe und allgemein unschönen Aussehens. Patina (Abb. 5.5g) Unter Patina wird die farbliche Veränderung des Materials verstanden, allgemein resultierend aus natürlicher oder künstlicher Alterung. Mit Patina ist in der Regel keine sichtbare Schädigung der Oberfläche verbunden. Biologische Besiedlung (Abb. 5.5g) Bedeutet die Besiedlung von Gesteinen durch höhere Pflanzen und Mikroorganismen wie Bakterien, Cyanobakterien, Algen, Pilze und Flechten (Symbiosen zwischen den drei Letztgenannten). Sie umfasst auch Einflüsse auf das Gestein, wie sie z. B. beim Nestbau von Tieren auf und im Stein auftreten können.

91

Subfloreszens (Abb. 5.5i) Schwach anhaftende, lösliche, gemeinhin weiße Salze unterhalb der Gesteinsoberfläche. Subfloreszenzen sind verborgen, es sei denn, die Gesteinsschicht über ihnen löst sich ab. In diesem Fall treten die Salzkristalle auf der neu exponierten Oberfläche sichtbar in Erscheinung. Subfloreszenz ist allgemein auf die Verdunstung von salinen Porenlösungen zurückzuführen. Weil sich Subfloreszenzen innerhalb der Porenstruktur entwickeln, führen sie oft zur Bildung von Schalen. Ausblühung (Abb. 5.5j) Dabei handelt es sich allgemein um weißliche, pulvrige oder nadelförmige Kristalle auf der Oberfläche. Ausblühungen sind meist wenig kompakt und bestehen aus löslichen Salzen. Ausblühungen haften für gewöhnlich nur schwach an der Gesteinsoberfläche. Ausblühungen sind in der Regel das Ergebnis der Verdunstung von Salzwasser, das in der porösen Struktur des Gesteins vorhanden ist. Abb. 5.5j zeigt Ausblühungen an einer Schiefermauer. Wie bereits erwähnt, kann Mörtel Puzzolan oder Trass enthalten. In Zement finden wir Kalium, Natrium und Sulfat, die eine Quelle für Salze sein können. Schiefer in einer Mauer wird durch das Salz nicht beschädigt. Man könnte einfach das oberflächliche Salz entfernen und den alten Mörtel durch neuen ersetzen.

5.3 Schäden durch mechanische Verwitterungsprozesse Die mechanische Verwitterung, die auch als physikalische Verwitterung bezeichnet wird, umfasst hauptsächlich thermische Zyklen und Frosteinwirkung. Der thermische Zyklus hängt mit den täglichen und saisonalen Temperaturschwankungen zusammen. Betrachtet man einen Steinblock, so gibt es darin keine einheitliche Temperatur. Im Falle von Schiefer auf dem Dach kann man wegen der geringen Spaltstärke der Decksteine mehr oder weniger einen Wert erwarten. Die Änderung der Oberflächentemperatur der einzelnen Minerale ist abhängig von ihrer Helligkeit (dunkel versus hell), der Exposition der einzelnen Bereiche gegenüber der Sonne sowie den Materialkonstanten Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität (Abschn. 4.7). Die thermische Ausdehnung ist temperaturabhängig und soll zu interkristallinen Spannungen führen, die wiederum Mikrorisse bilden können. Die Ursache und der Mechanismus der Desintegration, der letztlich mit der Entstehung von Mikrorissen zusammenhängt, ist noch nicht im Detail verstanden. ­Obwohl

92

5  Verwitterung von Schiefer

Einflussparameter wie thermische Ausdehnung, interkristalliner Stress oder hydrisches Quellen bekannt sind, ist eine Quantifizierung noch nicht möglich. Dies führt zu Unsicherheiten in der Interpretation der Ursachen für die verschiedenen Schäden, wodurch auch keine verlässlichen Prognosen über die mögliche Lebensdauer eines Gesteins als Baustoff abgegeben werden können. Gómez-Heras et al. (2006) untersuchten den Einfluss der Temperatur auf das Gefüge an vier verschiedenen Graniten in unterschiedlichen Temperaturbereichen zwischen 0 und 50 °C und stellten dabei Unterschiede zwischen den einzelnen Mineralen von 4 °C fest. Sie analysierten die Änderung der Oberflächentemperatur eines Minerals während der Laborzyklen und konnten zeigen, dass der höchste Temperaturgradient der Einkristalle beim Aufheizen und Abkühlen auf die ersten Minuten beschränkt ist (Abb. 5.6a). Abb. 5.6b zeigt die Temperaturschwankungen der dunklen und hellen Mineralbereiche in einer Zeitspanne von 30 min in Abhängigkeit von den Komponenten Wind und Abschattung. Sie kamen zu dem Schluss, dass kurzzeitige Schwankungen der Temperatur, des Windes und des Schattens „… einen wichtigen Einfluss haben könnten […] Alle diese Effekte haben potenzielle mechanische Auswirkungen und könnten zur Schwächung des Gesteins beitragen …“. Auch Hall und André (2001) haben die Temperaturschwankungen an mittelkörnigen Granodioriten in der Antarktis gemessen und weisen auf die Bedeutung der Temperatur in kurzen Zeitintervallen hin. Sie schlussfolgern: „Diese Daten zeigen deutlich, dass thermische Stressermüdung und thermischer Schock aktivere Komponenten des antarktischen Verwitterungsregimes sein können, als allgemein anerkannt wurde; die Aridität des Untersuchungsgebietes begrenzt die Rolle der Frost-Tau-Verwitterung.“ Ihre Schlussfolgerung ist logisch, und auch hier sind die grundlegenden Mechanismen verstanden. Aber die unterschiedlichen Einflüsse der einzelnen Parameter können noch nicht quantifiziert werden, somit bleiben die Aussagen am Ende vage. Es bleibt die Frage, ob es eine Art Ausgleich

Abb. 5.6  a Temperaturent­ wicklung einer Granitober­ fläche im warmen Klima (20–60 °C); b Kurzzeitige Schwankungen von Oberflächentemperaturen von benachbarten dunklen und hellen Mineralen eines Granits an einem Gebäude in Madrid in Abhängigkeit von Wind und Schatten (nach Gómez-Heras 2006)

a

zwischen dunkleren und helleren Stellen auf einer Gesteinsoberfläche gibt, sodass eine mögliche Spannung im Gesteinskörper reduziert wird, und welche Minimal- und Maximaltemperaturen nötig sind, um letztendlich Schäden zu verursachen. Zudem ist Schiefer ein Gestein mit einer homogenen Oberfläche in Bezug auf die Farbe. Das bedeutet, dass es an der Oberfläche keine Bereiche mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit oder spezifischer Wärmekapazität gibt. Man könnte auch schlussfolgern, dass thermische Zyklen allein nicht ausschlaggebend für die Verschlechterung eines Gesteins sind. Wenn Wasser in Hohlräumen vorhanden ist, wird Frost zu einem wichtigen Faktor, der für die Verschlechterung von Gesteinen besonders in feuchten Klimagebieten verantwortlich ist. Für die Frostverwitterung sind eine ausreichende Zufuhr von Feuchtigkeit und Temperaturen im Minusbereich die Voraussetzungen. Außerdem muss der Porenraum des Gesteins für die Wasseraufnahme offen sein. Die Schädigung durch Frost ist hauptsächlich auf den Kristallisationsdruck bei der Umwandlung von Wasser in Eis zurückzuführen, der mit der Volumenausdehnung zusammenhängt. In Gesteinsnormen ist die Wasseraufnahme ein Wert für die Frostbeständigkeit (Abschn. 3.6.3). In warmen Klimazonen, in denen die Temperatur immer über dem Gefrierpunkt liegt, hat die Wasseraufnahme wiederum keine Bedeutung für die Frostbeständigkeit. Die Höhe der Beanspruchung durch den Kristallisationsdruck hängt stark mit den Poren, d. h. mit ihrer Größenverteilung (Anzahl der verschiedenen zusammenhängenden Poren mit unterschiedlichen Durchmessern) und dem Füllungsgrad sowie dem eventuell gelösten Salz zusammen. In Anbetracht der niedrigen Werte der Zugfestigkeit von Schiefer zwischen 4 MPa und 22 MPa (Tab. 4.10) wird die Rolle des Frostes für die Verschlechterung eines Schiefers deutlich. In Abb. 5.7 ist zu sehen, dass sich die Gefriertemperatur beim Auftreten von gelöstem Salz NaCl in Wasser sichtbar nach unten verschiebt (Steiger, 2006). Dies macht deutlich, dass man, wenn man über Wasseraufnahme in Bezug auf die

b

5.4  Chemische Verwitterung

Abb. 5.7  Gefriertemperaturen von Wasser und gelöstem NaCl in Beziehung zur Porengröße (nach Steiger, 2006)

Verwitterungsbeständigkeit eines Gesteins spricht, auch die spezifischenlokalen Klimabedingungen und mögliche Bestandteile in der Atmosphäre berücksichtigen muss. Die hydrische Dehnung beschreibt die Änderung der Dimension von Stein aufgrund von Feuchtigkeitsänderungen im Material und ist vor allem in feuchtem Klima ein permanenter Prozess. Da die Luftfeuchtigkeit von den klimatischen Bedingungen wie täglichen und jahreszeitlichen Schwankungen abhängt, kann man sie als einen hydrischen Zyklus betrachten, bestehend aus Ausdehnung bei Wasseraufnahme und Kontraktion beim Trocknen. Die klassische Dacheindeckung und Verkleidung mit Schiefer erfolgt mit überlappenden Decksteinen: Das Wasser läuft über die Oberfläche, dabei ist es unwahrscheinlich, dass es in großen Mengen von den beschnittenen Kanten in den Schiefer migriert. An Fassaden werden meist nicht überlappende Steinplatten mit Dicken zwischen 10 und 40 cm verwendet, die mittels verschiedener Verankerungssysteme befestigt werden (Abb. 4.29). Die Steinplatten werden gesägt, die dabei entstehenden Kanten bieten eine zusätzliche Oberfläche für das Eindringen von Wasser in den Stein. Wenn Wasser in den Schiefer gelangt, kann es zu hydrischer Ausdehnung und Frostbeanspruchung kommen (Abb. 5.8). Die Messungen der hydrischen Ausdehnung von Tonschiefer und Tonstein führen zu sehr unterschiedlichen Werten (Abschn. 4.83). Die Werte in Tab. 4.19 und Abb. 4.44 zeigen eine deutliche Anisotropie der hydrischen Ausdehnung. Die Ausdehnung ist sowohl bei Tonstein als auch bei Tonschiefer senkrecht zur Schieferung oder Schichtung höher als parallel. Der Grund für dieses anisotrope Verhalten könnte die Kristallstruktur der Schichtsilikate und hier der vorherrschende Muskovit sein, der in Form von einzelnen Glimmerlagen die Schieferung bildet. Muskovit speichert Wasser in kleinen Rissen entlang der Schieferungen, was

93

Abb. 5.8  Mögliche Schadensprozesse durch Frost infolge des Eindringens von Wasser

zu einer Quellung senkrecht zur Schieferung führen kann. Für die in Abb. 4.44 dargestellten Schiefer wurden keine mineralogischen Analysen durchgeführt, aber bei den vorkommenden Tonmineralen kann diese Quellung höhere Bereiche zwischen Expansion und Kontraktion erreichen. Von zwei Schieferproben lösten sich Teile nur durch Stauwasser, was darauf hindeutet, dass diese Schäden an Fassaden auftreten und möglicherweise eine Gefahrenquelle für die Öffentlichkeit darstellen können. Siegesmund und Dürrast (2014) geben an, dass die hydrische Dilatation von Schluffsteinen zu Veränderungen von bis zu 20 mm/m führen kann. Im Gegensatz dazu schreiben die Autoren, dass Karbonatgesteine aufgrund des geringen Tongehalts meist niedrige Werte für die hydrische Dilatation aufweisen. Bei den meisten Kalksteinen ist die hydrische Dilatation ein untergeordneter Faktor. Die Fredeburger Schiefer aus dem westfälischen Schiefergebiet zeigen die höchsten Werte der hydrischen Ausdehnung (Tab. 4.19). Die Messungen wurden an frischen Proben durchgeführt und der Gehalt an Muskovit liegt im üblichen Bereich für Dachschiefer. Eine Verwitterung von Karbonatmineralen und eine damit verbundene mögliche Vergrößerung des Porenraums kann ausgeschlossen werden, da frische Proben verwendet wurden. Es gibt noch zu wenig Daten, um die hydrische Ausdehnung von Schiefer in Bezug auf den Porenraum, das Gefüge und die mineralogische Zusammensetzung vollständig zu verstehen.

5.4 Chemische Verwitterung Die chemische Verwitterung oder Auflösung von Gesteinen basiert auf natürlichem Wasser bzw. der Einwirkung von H+-Ionen, die Reaktionen mit gesteinsbildenden Mineralen hervorrufen. Sie betrifft hauptsächlich die Karbonatminerale wie Kalzit, Ankerit und Dolomit, die löslicher

94 Tab. 5.2  Grenzwerte für die Expositionsklassen bei chemischem Angriff durch natürliche Böden und Grundwasser = Betonaggressivität entsprechend DIN 4030–1 (2008) (nach Prinz and Strauß 2011)

5  Verwitterung von Schiefer

Komponente [mg/L] Grad der Aggressivität gering aggressiv

hoch aggressiv

sehr hoch aggressiv

pH-Wert Ammonium (NH4) Magnesium (Mg2+) Sulfat (SO42−) Kohlendioxid (CO2)

5,5–4,5 30 -60 1000–3000 600–3000 30–60

> 4,5 > 60 > 3000 > 3000 > 60

sind als Feldspat oder Minerale wie Chlorit, Muskovit und Quarz. In feuchtem Klima hat Schiefer regelmäßigen Kontakt mit Wasser, sodass es zu einer Auflösung kommen kann. Für die Auflösung ist der pH-Wert des Wassers entscheidend, denn mit einem niedrigen pH-Wert steigt die Löslichkeit der Karbonatminerale. Der natürliche atmosphärische pH-Wert liegt bei etwa 5,5 und ist abhängig von der Menge des atmosphärischen Kohlendioxids CO2 bzw. der Kohlensäure. Ein kleiner Teil des gelösten CO2 wird zu Kohlensäure umgewandelt. Ein sinkender pH-Wert durch Luftverschmutzung (Abschn. 5.1) führt zu einer zunehmenden Versauerung, die Auflösungsprozesse beschleunigt. Das bekannte natürliche Ergebnis von Auflösungsprozessen wird als Karst bezeichnet und betrifft karbonatische Gesteine. Tab. 5.2 zeigt eine Klassifizierung der Aggressivität für verschiedene chemische Komponenten im Grundwasser. Der Wert von 62 mg/L für CO2 für das untersuchte Grundwasser in Tab. 5.1 zeigt deutlich, dass die chemische Verwitterung von Steinen auch mit dem Grundwasser zusammenhängt. Die Prozesse der Schädigung durch Salze sind sehr komplex, weil es viele verschiedene Salze oder Salzsysteme gibt, die schon bei geringen Änderungen der relativen Luftfeuchtigkeit ausgefällt und gelöst werden können. Die am häufigsten vorkommenden Salze sind Chloride, Nitrate und Sulfate. Schäden durch Salze sind, vereinfacht gesagt, die Folge eines Wachstums von Salzkristallen aus übersättigten Lösungen im Porenraum und dem daraus resultierenden Kristallisationsdruck. Klimatische Bedingungen mit wechselnder Luftfeuchtigkeit können zu einer Hydratation und Dehydratation von kristallwasserhaltigen Salzverbindungen oder zu einem Wechsel von Kristallisation und Auflösung führen. Dadurch entsteht ein zyklisch wiederkehrender Kristallisationsdruck, der das Gefüge schwächen kann und schließlich Verfall oder Zersetzung eines Gesteins verursacht. Aufgrund der hohen Hygroskopizität von Salzen kann es auch zu Feuchtigkeitsproblemen kommen.

6,5–5,5 15–30 200–1000 200–600 15–30

Schiefer ist ein dichtes Gestein, und nur sehr wenige Schiefervorkommen enthalten Calcit oder Ankerit in nennenswerter Menge. Schiefer aus Ligurien (Italien) zeigen hohe Gehalte an Karbonat (Tab. 5.3), ebenso wie Schiefer im westfälischen Raum in Deutschland. Diese können Karbonatgehalte bis zu 20 % aufweisen. Hohe Dolomitgehalte erreichen sowohl Schiefer aus Easdale (Schottland) – bis zu 29 % – und Schiefer aus Uruguay – bis zu 58 %. Die Löslichkeit von Dolomit ist sehr gering, und nur bei Umgebungsbedingungen mit einem sehr niedrigen ­pH-Wert, wie oben erwähnt, ist die Entstehung von Gips möglich. Insgesamt wurden nur sehr wenige Untersuchungen zur Salzeinwirkung auf Schiefer veröffentlicht. Des Weiteren sind dem Autor auch keine Untersuchungen zu Schädigungen durch Salze von Schiefer auf dem Dach bekannt. Abb. 5.9 zeigt Thüringer Schiefer ohne Karbonat, die über 100 Jahre lang auf einem Dach in der Stadt Dresden lagen und ähnlichen atmosphärischen Bedingungen wie in Abb. 5.2 ausgesetzt waren. Der Schiefer wurde im Jahr 2000 zur Neueindeckung eines Hauses im Erzgebirge, in dem raue klimatische Bedingungen vorherrschen, verwendet, was einmal mehr die Haltbarkeit von Schiefer verdeutlicht.

Tab. 5.3  Massenänderung nach 14 und 28 Tagen entsprechend dem Test zur Schwefelbeständigkeit nach der nicht mehr gültigen DIN 52201 (Heiß, 1993)

Probe

Kalzit [M.-%]

14 Tage [M.-%]

28 Tage [M.-%]

Rissbreite [mm]

S1 S2 S3 S4 S5 S6 Spanien 1 Spanien 2 Italien

5,4 6,2 4,8 7,6 10,5 10,5 0,17 1,33 42

3,4 2,7 2,4 4,0 3,3 4,5

7,6 5,5 7,9 9,1 6,4 8,6 0,32 1,71 4,42

 ≤ 1