Original paper

The basics of test methods of slates for roofing and cladding

Wagner, Wolfgang

Abstract

Natural slates for roofing and cladding in the commercial definition have different but often marine genesis. They are easily cleavable and suitable to use for discontinuous roofing and external wall cladding. These finegrained shales have mostly a (transverse to the bedding) slaty cleavage or in the case of the parallel slate a lithostatic cleavage parallel to the stratification.In the worldwide view the high quality slate deposits are Proterozoic and Paleozoic and originate e.g. from Caledonian and Hercynian orogenies (Fig. 1). In addition there are also unfolded deposits of parallel slate in old cratons.The national requirements and methods were very diverse. The discussion in favour of a common European standard (EN 12326) during more than 10 years accompanied by a scientific research generated results which are explained and criticised.The analyses of petrographic fabrics give information on the fissility of slate and the efficiency of the slate manufacturing but do not clarify the geological genesis. This paper publishes a scheme for estimation of the fabric of slate (Fig. 2), the microscopic measurement of number (Fig. 3) and thickness of mica layers, and the mass value (= number of mica layers per mm x thickness of layers in mm × 10; Fig. 4) and their pros and cons.The exact definition of the fine-grained mineralogical composition is difficult; therefore a calculation of the slate's norm minerals (slatenorm) like in the CIPW-norm for magmatic rocks could be helpful.The ternary diagram for applied properties (e.g. thickness and fissility) from Le Corre (1970; see Fig. 5) is not applicable to several oversea slates. This paper originates a new alternative diagram (Fig. 6) which, apart from the quartz content, uses the parallel texture as well, specified in the number of mica layers per mm.The requirements of the thermal cycle resistance (i.e. oxidation resistance of the metallic minerals) given in the EN 12326 are with the classifying of T1, T2, and T3 too low and imprecise, therefore this paper proposes a subdivision of T1 in a, b, and c. The microscopic petrographic analysis on polished thin sections can describe the oxidation resistance of the metallic minerals as follow (Fig. 7):T1a, containing very little pyrite framboids and small monocrystals or stable minerals of the mixed crystals of ilmenite/titanomagnetite/magnetite, is stainless.T1b (Plate 1: Fig. D) and T1c containing pyrrhotite and bigger accumulations of micropyrites shall be deemed to be not stable, whereas the cristallinity of these metallic minerals with regard to the reaction rate are important.T2 (Plate 1: Figs. E and F) and T3 are exceptions of the types T1b and T1c with the same characteristics but in combination with other unstable minerals like carbonates or unfavourable technical properties like e.g. higher water absorptions (> 0.4 M.-%). Big metallic minerals, which penetrate the slate pose a risk of forming holes representing code T3 (Plate 1: Fig. G), because of the different thermal expansion.EN 12326 gives simple requirements according to other not weather resisting minerals like carbonates and non-carbonate carbon. In addition the petrographical properties and the integration of these minerals (Plate 2: Figs. C to G) in the slate fabric are important for the durability.The petrographical methods can be used only in sum for the control of the origin of the slate (Plate 1: Fig. C). A decision with only one method like e.g. the mass value is not suitable.The Europe-wide harmonised test methods of the EN 12326 enable scientific correlations between the modulus of rupture and the water absorption (Fig. 8) or alternatively the parallel texture (i.e. mica layers/mm; Fig. 9).The grain (definition given in the EN) results in an anisotropic bending strength like in Fig. 10.The CE-marking (German form: Fig. 11) should inform the user about all main slate properties, but in fact the user need further information about the risk of oxidation given in a distinction between T1a (no risk) and T1b, c and in several petrographical tests proposed in this paper.

Kurzfassung

Unter dem Marktbegriff ,,Dach- und Wandschiefer werden Gesteine mit unterschiedlicher, oft mariner Genese verstanden, die über eine gute Spaltbarkeit verfügen und sich für die überlappende Verlegung an Dach und Wand eignen. Meist handelt es sich um transversal (Druckschiefer), gelegentlich aber auch um parallel geschieferte Metapelite (Parallelschiefer).Weltweit besitzen die qualitativ guten Schieferlagerstätten oft proterozoisches oder paläozoisches Alter und stammen aus älteren, z. B. kaledonischen und variszischen Orogenen. Daneben kennt man auch ungefaltete Parallelschiefer-Lagerstätten auf alten Kratonen.Aus höchst unterschiedlichen nationalen Anforderungen und Methodenansätzen hat die über 10jährige Diskussion zur gemeinsamen europäischen Normung (DIN EN 12326) geführt. Die sie begleitenden Forschungen haben interessante Ergebnisse erbracht, die erläutert und kritisch bewertet werden.Die vorgestellten Gefügeuntersuchungen bringen Erkenntnisse zu Spalteigenschaften und damit zur Ökonomie der Schieferherstellung, sind aber nicht zwangsläufig für Aussagen über die Genese geeignet. Im Einzelnen werden eine Schätztabelle zur Ausbildung der Glimmerlagen, die mikroskopische Messung der Anzahl der Glimmerlagen (auch per Bildanalyse) und der Mengenwert als Produkt der Anzahl und der Dicke der Glimmerlagen in ihrer Aussagekraft kritisch beleuchtet.Zuweilen ist der Mineralbestand wegen seiner Feinkörnigkeit quantitativ nur schwer zu erfassen. Daher wird versucht, dies mit einer Normmineralberechnung ähnlich der CIPW-Norm für Magmatite auch für Tonschiefer vorzunehmen (slatenorm).Die Darstellung der Dach- und Wandschiefer im Dreiecksdiagramm nach Le Corre (1970) ist, was Probenbeispiele aus Übersee angeht, bezüglich seiner praktischen Aussagekraft (Spaltdicke) nicht mehr aussagekräftig. Es konnte eine Alternative entwickelt werden, die neben den Quarzen noch die Paralleltextur, angegeben in Glimmerlagen/mm, mit einbezieht.Anders als in der DIN EN 12326 mit ihren niedrigen Anforderungen vorgesehen, wo eine Code-Gliederung der Ergebnisse zur Temperaturwechsel-Beständigkeit der Erzminerale in T1, T2 und T3 erfolgt, schlägt diese Arbeit eine zusätzliche Unterteilung der Klasse T1 in a, b und c vor. Die mikroskopische Analyse im polierten Dünnund Anschliff kann so die Oxidationsbeständigkeit der Erzminerale beschreiben:T1a ist mit sehr wenigen Pyritframboiden und kleinen -Einkristallen und den stabilen Erzen der Mischreihe Ilmenit/Titanomagnetit/Magnetit oxidationsbeständig.T1b und T1c müssen dagegen mit Magnetkies oder sehr umfangreichen Anhäufungen von Mikropyriten als oxidationsanfällig angesehen werden, wobei der Kristallisierungsgrad dieser Erzminerale im Hinblick auf die Reaktionsträgheit wichtig ist.Bei T2 und T3 handelt es sich in der Praxis um Ausnahmen der unter T1b und T1c bereits erwähnten Erscheinungen, die aber mit anderen verwitterungsanfälligen Karbonaten und ungünstigen technischen Eigenschaften wie z. B. erhöhte Wasseraufnahme (> 0,4 M.-%) vergesellschaftet sind. Bei T3 kann es zur Lochbildung kommen, indem größere, auch ansonsten stabile Erzminerale, wegen anderer Wärmeausdehnung herausfallen.Für andere verwitterungsanfällige Bestandteile wie Karbonate und nichtkarbonatischem C-Gehalt sieht die DIN EN 12326 vereinfachte Anforderungen vor. Wichtig für ihre Auswirkung auf die Beständigkeit sind aber ihre mineralogische Ausbildung und die Art ihres Einbaus in das Schiefergefüge.Die petrographischen Beobachtungen, makroskopisch und mikroskopisch, können nur in ihrer Gesamtheit zu einer aussagekräftigen Herkunftsanalyse führen. Eine Aussage, die sich nur z. B. auf einen Gefügewert wie den Mengenwert stützt, ist dagegen Überinterpretation.Die vereinheitlichten Prüfmethoden der DIN EN 12326 erlauben den wissenschaftlichen Nachweis von Zusammenhängen z. B. zwischen Wasseraufnahme und der Paralleltextur, gemessen in Glimmerlagen/mm einerseits und der Biegefestigkeit andererseits.Die Norm definiert den Faden als die Anisotropie der Biegefestigkeit in Längs- und Querrichtung senkrecht zur Schieferplatte.Das CE-Etikett soll alle Eigenschaften, die für den Schieferverwender wichtig sind, zusammenfassen. Dies ist aber nur mit Zusatzinformationen zur Oxidationsbeständigkeit, wie z. B. die vorgeschlagene Unterscheidung auch von T1a, b und c, und aus den vorgestellten petrographischen Methoden möglich.

Keywords

roofing slatesshaledepositslaty cleavageweatheringpetrographyfabriceuropean standardproduct specificationmethods of testce-marking