In diesem Unterkapitel wird näher auf die Gesteinseigenschaften eingegangen, die die Neigung eines Gesteins, unter Umwelteinflüssen zu zerfallen, maßgeblich beeinflussen.
2.4.1 Sättigungsgrad und Saugspannungen
Sobald ein Gestein in Kontakt zur Atmosphäre gelangt, kommt es zu Austrocknun-gen und RissbildunAustrocknun-gen. Der Sättigungsgrad wird reduziert, was zu einer Erhöhung der Saugspannungen führt. Insbesondere die Saugspannungen führen bei Wasserkontakt zu einem schnellen Ansaugen des Wassers ins Gestein, was wiederum zu einem stärkeren Zerfall führt (siehe Absatz 2.3.3). In Untersuchungen wurde aber ermittelt [12], dass mit steigender Saugspannung die Zerfallsneigung sinkt. Ursache hierfür könnte eine durch
2.4 Zerfallsrelevante Gesteinseigenschaften
die Saugspannungen herbeigeführte erhöhte Festigkeit sein, die einem Zerfall entgegen-wirkt.
2.4.2 Spezifische Oberfläche
Die spezifische Oberfläche ist die Summe aus der inneren und äußeren Oberfläche. Sie ist abhängig von der Porengrößenverteilung, der Oberflächenstruktur und Rauigkeit der Feststoffoberflächen und gibt einen Hinweis über die für die Interaktion mit Wasser zur Verfügung stehenden Feststoffoberflächen [12]. In Untersuchungen wurde festgestellt, dass mit zunehmender innerer Oberfläche die Zerfallsneigung von Gesteinen ansteigt [107]. Ursache ist das mit zunehmender innerer Oberfläche ansteigende Wasseradsorp-tionsvermögen.
2.4.3 Porosität und Porengrößenverteilung
In Sedimentgesteinen nehmen alle Festigkeitseigenschaften mit zunehmender Porosität ab [34, 56, 93, 136], da eine hohe Porosität eine Vernetzung von spannungsinduzierten Mikrorissen begünstigt [81]. In Untersuchungen wurde ermittelt, dass Material mit einer höheren Porosität tendenziell mehr zum Zerfall neigt als ein Material mit einer geringen Porosität [120].
Eine große Fließporosität bedeutet viele zusammenhängende Poren und somit eine hohe Durchlässigkeit, was wiederum eine hohe Zerfallsneigung bedeutet. Bei einer geringen Durchlässigkeit tritt das Wasser nur langsam und in geringen Mengen in das Gestein ein, es kommt nur langsam zu einer Aufsättigung und somit zu keiner Sprengwirkung.
Zudem bewirkt in kleinen Poren eine große Saugspannung eine erhöhte Festigkeit [120].
Eine geringe Durchlässigkeit soll also einen Widerstand gegenüber Zerfallsangriffen be-wirken.
Ist die Porengrößenverteilung ungleichförmig und die Gesamtporosität hoch, ist eine geringe Durchlässigkeit aber ungünstig. Durch die größeren Poren gelangt Wasser ins Gestein. In den feineren Poren kann die Porenluft nicht entweichen und es baut sich ein Überdruck auf. Dieser kann zu einem Zerbrechen des Mineralgerüsts oder auch zu ei-nem spontanen Bruch des Gesteins führen und die Dauerhaftigkeit wird reduziert [120].
Besitzt ein Gestein eine hohe Gesamtporosität aber hauptsächlich Makro- und Grob-poren, so hat das Gestein eine niedrige spezifische Oberfläche. Herrschen aber bei ei-ner hohen Gesamtporosität vor allem Nano- und Mikroporen vor, so ist die spezifische Oberfläche hoch. Je kleiner also die Porenradien sind, desto größer ist die spezifische Oberfläche und desto höher die Zerfallsneigung [107, 127].
2.4.4 Mineralogische Zusammensetzung
Quellfähige Tonminerale haben hauptsächlich einen Einfluss auf die Zerfallsneigung ei-nes Tonsteins, da diese Wasser anlagern können [28, 35, 68, 98, 107, 112, 161]. Dies re-duziert die Festigkeit und somit die Zerfallsbeständigkeit erheblich. In Untersuchungen
Kapitel 2 Grundlagen zu veränderlich festen Ton- und Schlufftonsteinen
wurde festgestellt, dass mit steigendem Gehalt an quellfähigen Tonmineralen die Zer-fallsanfälligkeit steigt [107]. Tonminerale bestimmen aufgrund ihrer Kristallform und Kristallgröße die Geometrie des Porenraums und somit auch Transportparameter, wie zum Beispiel die hydraulische Durchlässigkeit und die Diffusionskonstante [115].
Gesteine mit hohem Gehalt an zementierenden Mineralen (z.B. Karbonat und Sulfat) sind widerstandsfähiger gegenüber Zerfallsangriffen. Sobald aber durch chemische Re-aktionen diese Minerale auslaugen, wird das Gestein deutlich anfälliger [28].
Wenn Pyrit vorhanden ist, können durch Oxidation saure Lösungen entstehen, wodurch in Reaktion mit Tonmineralen und Karbonat Sulfatmineralien, wie z.B. Gips ausfällen können [28].
2.4.5 Diagenetische Verfestigung
Die Zerfallsneigung eines Gesteins steht im Zusammenhang mit der Stärke der Partikel-kontakte [107]. Je stärker diese sind, umso niedriger ist die Zerfallsneigung. Während der Diagenese verfestigt sich die primäre Sedimentationsstruktur zu Partikeln, die aus parallel angeordneten Tonmineralblättchen bestehen. Umso größer die Überlappung der Blättchen, desto stärker ist die Bindung innerhalb dieser Partikel. Das Gestein wird fes-ter und resistenfes-ter gegenüber physikalischen Einflüssen. Der Diagenesegrad beeinflusst demnach das Zerfallsverhalten. Je stärker die diagenetische Verfestigung, desto weniger zerfallsanfällig ist das Gestein.
2.4.6 Entlastung
Falls das Gestein ununterbrochen in Kontakt mit Wasser steht, bleibt der In-situ-Sätti-gungszustand erhalten und die Saugspannungen sind im Gleichgewicht mit den In-si-tu-Spannungsbedingungen. Wird das Gestein entlastet, vergrößert sich der Porenraum, wodurch sich der Sättigungsgrad erniedrigt und die Saugspannungen erhöhen. Falls nicht schnell genug Wasser nachströmen kann, entsteht ein Sättigungsdefizit, dass die Saugspannungen mit Rissneubildungen kompensieren [101]. Durch die neu entstande-nen Risse sind Angriffsflächen für Zerfallsprozesse vorhanden.
2.4.7 Austrocknung
Oftmals zerfallen Gesteine nicht, wenn sie mit ihrem In-situ-Sättigungszustand in Kon-takt mit Wasser kommen (u.a. [1, 141]). Trocknen diese Gesteine aber aus und kommen im ausgetrockneten Zustand mit Wasser in Kontakt, kann es sein, dass sie sich innerhalb kurzer Zeit vollständig zerlegen. Durch Schrumpfungsvorgänge werden bei Austrock-nungen die diagenetischen Bindungen geschwächt. Bei einer folgenden Reaktion mit Wasser können diese vollständig zerstört werden. Die Zerstörung der diagenetischen Bindungen bei der Reaktion mit Wasser wird insbesondere durch den in Absatz 2.3.3 er-läuterten Effekt des Zusammenpressens der mit Luft gefüllten Poren bewirkt [100]. Die durch Überlagerungsdruck entstandenen Punktkontakte wandeln sich dabei in Koagu-lationskontakte, bei denen die Partikel von durchgehenden Hydrathüllen umgeben sind.