Dissertation
"Roofing slate - origin, deposits, properties, standards and mining"

Meine Dissertation habe ich im November 2017 verteidigt und aus ihr entstand das vom Springer Verlag veröffentlichte Schieferbuch. Der hiesige Text umfasst die offizielle Zusammenfassung und die Thesen zu meiner Dissertation.

Zusammenfassung

Es sind die Entstehungsarten und damit verbundenen grundsätzlichen Eigenschaften von (Ton-) Schiefer als Werkstein bzw. Dachschiefer dargestellt. Es wurden Untersuchungen, insbesondere unter dem Aspekt der ausgeprägten Anisotropie von Schiefer, zu den petrotrologischen, physikalischen- sowie Festig­keitseigenschaften durchgeführt und durch Daten aus der Fachliteratur ergänzt. Weiterhin wurden die Verwitterungsprozesse von Dachschiefer erklärt. Eine bestehende Methode zur Bestimmung von Biegefestigkeit und E-Modul wurde für Schiefer angepasst. Die internationalen Normen zu Dachschiefer wurden verglichen und kritisch bewertet. Es wird erstmals ein Überblick über die weltweiten Schieferlagerstätten mit einem geschichtlichen Abriss, den Lagerungsverhältnissen und Gesteinseigenschaften gegeben. Die Erschließung von Schieferlagerstätten, damit verbundene geowissenschaftliche Fragen sowie Abbaumethoden sind erläutert. Es handelt sich um eine erst­malige vollumfassende Abhandlung des Gesteins Schiefer als Werkstein und wird als Kompendium für praktisch arbeitende Geowissenschaftler, Bergleute sowie Bauingenieure, Architekten und Denkmalpfleger betrachtet.

Thesen

• Die vorliegende englischsprachige Dissertation wurde am Lehrstuhl für Felsmechanik des Instituts für Geotechnik der TU Bergakademie Freiberg erarbeitet.

• Es handelt sich bei dem Terminus "slate" im petrographischen Sinne um Tonschiefer und grenzt sich somit von kristallinen Schiefern oder Quarzitschiefern ab. Schiefer wird in seiner Verwendung als Werkstein betrachtet, d.h. nicht im rein geologischen Sinne, sondern anwendungsbezogen und hier vor allem als Dachschiefer.

• Die Dissertation wird als umfassendes Kompendium für praktisch arbeitende Fachleute auf dem Gebiet der Geologie, Geotechnik, Bergbau, Bauingenieurwesen, Architektur und Denkmalpflege verstanden. Da es bisher weder im deutsch- noch im englischsprachigen Raum eine derartige Veröffentlichung gibt, wird eine wissenschaftliche Lücke geschlossen.

• Die weltweit wichtigsten Schieferlagerstätten wurden erstmals umfassend beschrieben, d.h. deren Lagerungsverhältnisse und die Eigenschaften der abgebauten Schiefer. Ferner wird, sofern möglich, ein geschichtlicher Abriss gegeben. Ein großer Teil der mitteleuropäischen Schieferlagerstätten wurde besichtigt und Proben für materialkundliche Untersuchungen genommen. Eigene Beschreibungen wurden mit denen aus der Fachliteratur anderer Schieferlagerstätten, insbesondere Nordamerikas ergänzt. Gleichzeitig wurde ein Datenbankschema für ein GIS entwickelt, welches bei einer zukünftigen Programmierung die Eingabe der Position von Schiefergruben sowie Eigenschaften, Verwendung, Normen etc. ermöglicht. Ziel ist eine englischsprachige Fachdatenbank mit internationaler Zusammenarbeit zu schaffen.

• Es wurden Untersuchungen zur mineralogische Zusammensetzung, Gefüge, thermischen Dilatation, hydrischem Quellen, Dichte, Porosität und den Festigkeiten (insbesondere Biegefestigkeit) von verschiedenen Schiefern durchgeführt. Aufgrund der ausgeprägten Anisotropie des Schiefers wurden richtungsabhängige Parameter entsprechend dargestellt. Eigene Untersuchungen wurden mit Daten aus der Literatur ergänzt. Es zeigt sich, dass nahezu alle Gesteinsparameter stark bis sehr stark von der Anisotropie beeinflusst sind.

• Die Schieferung ist das wesentlichste Gefügeelement von Schiefer. Hierbei ist vor allem die Bestimmung der Glimmerlagendichte bzw. des Mengenwertes der Glimmerlagen (MSI) zu nennen, die auch in der EN 12326 für Dach- und Wandschiefer gefordert ist. Zur Bestimmung des Mengenwertes der Glimmerlagen wurde eine bildanalytische Methode mittels freier Software erarbeitet, die eine relativ objektive und schnelle Quantifizierung ermöglicht.

• Die Korrelation des Mengenwertes mit der Biegefestigkeit ist immer wieder Gegenstand von Untersuchungen und Veröffentlichungen, in deren Folge Korrelationen postuliert wurden. Es wurden ca. 1000 Messungen zur Glimmerlagendichte/MSI durchgeführt und es zeigte sich, dass die natürliche Streuung von Festigkeitswerten mit den nur semi-objektiven Angaben zu Mengenwerten keine derartige Korrelation erlaubt, dass man aus dem Gefüge belastbare Aussagen zur Biegefestigkeit abgleiten kann. Die postulierten Korrelation wurden relativiert.

• Eine bestehende Methode zur Bestimmung der Ringbiegezugfestigkeit und des E-Moduls wurde erstmals an Schiefer getestet, um deren Anwendbarkeit zu prüfen. Hierzu wurden Schiefer mit der in der EN 12326 vorgeschriebenen Standardmethode sowie der genannten Methode im Labor untersucht, die Daten verglichen und eine Korrelation festgestellt. In der EN 12326 wird ein Probekörper in den Maßen 190 x 125 x 5 mm vorgeschrieben, während bei der „neuen“ Methode eine runde Scheibe mit einem Durchmesser von 5 cm ausreicht. Im Gegensatz zur EN 12326, in der Tests zur richtungsabhängigen Biegefestigkeit (parallel und senkrecht zur Lineation) gefordert sind, wird mit der anderen Methode ein allgemeine Biegefestigkeit analysiert. Diese Methode ist nun für Schiefer anwendbar und kann z.B. für die Analyse von Bohrkernen während der Erkundung von Lagerstätten angewendet werden. Es ist jetzt möglich, schon in der Erkundungsphase belastbare Aussagen zu den Qualitäten innerhalb eines Lagerstätte sowie Erschließung einer Grube zu treffen.

• Die mineralogische Zusammensetzung wurde mit der Bearbeitungshärte (Zurichten des Schiefers) verglichen und eine entsprechende Klassifizierung etabliert. Mit der Bearbeitungshärte kann eingeschätzt werden, ob Schiefer für Märkte geeignet sind, wo der Schiefer bei der Verlegung noch teilweise händisch bearbeitet wird (z.B. Deutschland). So zeigen Schiefer mit sehr hohen Quarzgehalten (von ca. 45 M.% bis > 50 M.%) ein teilweise glasartiges Verhalten und sind daher ungeeignet für die genannten Märkte.

• Die internationalen Normen zur Untersuchung von Dach- und Wandschiefer werden eingehend erläutert, verglichen und einer kritischen Bewertung unterzogen. Gegenstand der Untersuchungen waren vor allem die EN 12326 sowie die ASTM 406, da sie die dominierenden Normen darstellen.

• Es gibt bis dato keine umfassenden Untersuchungen zum Verwitterungsverhalten bzw. der Wirkung von Salzen wie Gips auf den Werkstein Schiefer. Es zeigte sich, dass Schiefer ohne Karbonatminerale ein der Umweltbelastung gegenüber sehr robustes Baumaterial darstellt, welches u.a. mit dem sehr geringen Porenraum und der ausgeprägten Schieferung begründet wird. Dennoch herrscht hier noch grundlegender Forschungsbedarf.

• Der Schieferabbau entwickelte sich über Jahrhunderte hinweg meist aus Familien heraus und wird noch heute oft als Familienbetrieb geführt. Die damit oft verbundene mangelhafte Betriebsstruktur sowie das fehlende Wissen bezüglich der systematischen Erschließung einer Schieferlagerstätte führt bis in die jüngste Zeit zu immer den gleichen Fehlentscheidungen mit entsprechend negativen wirtschaftlichen Konsequenzen. Daher wurde das geowissenschaftliche Vorgehen i.w.S. bei der Erkundung und Erschließung und geotechnischen Bewertung einer Schieferlagerstätte ausgearbeitet. Allgemeine sowie speziell der gesteinsmechanischen Anisotropie von Schiefer geschuldete Versagensmechanismen wurden dargelegt und geotechnische Sicherheitsaspekte erläutert.

• Der Abbau von Schiefer erfolgt über- und untertage und es werden die verschiedenen Abbaumethoden erläutert und verglichen. Es werden ein allgemein gültiges Produktionsschema zur Produktion von Dachschiefer mit der Möglichkeiten unterschiedlicher technischer Standards dargelegt. Darüber hinaus werden weitere Produktmöglichkeiten wie z.B. Blähschiefer, Schieferplitt und -mehl sowie die zugehörigen technologischen Schritte erläutert.