Original paper

Petrophysical and technical properties of dimensional stones: a statistical approach

Mosch, Stephan; Siegesmund, Siegfried

Abstract

The efficient use of natural building stone is immediately connected with the cost-intensive investigation of technical properties of a rock, considering different standardizations. Hence, there are number of paper in the literature dealing with the extrapolation of technical parameters (e.g. compressive strength) based on easily ascertainable properties, like density or porosity. Consequently, well-founded statistical analyses about corresponding prognostic feasibilities as partial alternatives to laboratory analyses may be of great economical interest.The presented statistical analyses are based on a dataset, including around 2100 commercial grades of dimensional stones from more than 70 countries. Specific features in technical behaviour of single varieties, peculiar to any particular small datasets due to e.g. location details or laboratory conditions, could be eliminate as far as possible.The statistical behaviour in the different correlations between the basic parameters density and porosity, respectively, with the parameters of strength is described broadly for the main rock types (plutonic rocks, volcanic rocks, clastic sediments, carbonatic rocks, metamorphic rocks). Based on this, detailed examinations of the different interrelations are given exemplary for the plutonic and carbonatic rocks as well as the clastic sediments. In addition different approaches of regression analysis are evaluated. Furthermore the calculation of confidence regions gives a significant tool to visualize the theoretical population of the connection of two parameters. Finally the interrelations between the petrophysical/technical parameters and the ultrasonic wave velocity, as a non-destructive method for material examination, are specified.

Kurzfassung

Die Verwendung von Natursteinen als Baustoff ist unmittelbar mit der kostspieligen Ermittlung der technischen Eigenschaften, basierend auf verschiedenen Normungen, verknüpft. In der Literatur finden sich daher viele Korrelationsansätze, die die Extrapolation technischer Eigenschaften, ausgehend von einfach zu ermittelnden Kennwerten (z. B. Dichte, Porosität), zum Ziel haben. Folglich können statistisch abgesicherte Prognosemöglichkeiten als Teilersatz für technische Analysen von hohem wirtschaftlichem Interesse sein.Die hier vorgestellten statistischen Untersuchungen basieren auf einem breiten Datensatz, der sich aus etwa 2100 Gesteinen aus über 70 Ländern zusammensetzt, die als Werkstein Verwendung finden. Probenspezifische Besonderheiten im technischen Verhalten, wie sie häufig bei kleineren Datensätzen infolge von Lokalitätsdetails, Laborbedingungen etc. auftreten können, sollen somit weitestgehend vermieden werden.Umfassend wird das statistische Verhalten der sich ergebenden Korrelationen der Basiseigenschaften (Dichte, Porosität) mit den primär relevanten Festigkeitsparametern (Druck-, Biege- und Spaltzugfestigkeit) für die fünf Hauptgesteinsgruppen (Plutonite, Vulkanite, Metamorphite, Sandsteine, Karbonatgesteine) untersucht. Darauf aufbauend erfolgt eine detaillierte Betrachtung der verschiedenen Beziehungen sowie die Berechnung bivariater Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der verschiedenen Eigenschaftspaare exemplarisch für die Gesteinsgruppen Plutonite, Karbonatgesteine und Sandsteine. Gleichzeitig werden Möglichkeiten zu Prognoseansätzen abgeschätzt. Abschließend wird der Zusammenhang zwischen den verschiedenen petrophysikalischen und technischen Eigenschaften mit Ergebnissen der Ultraschalldiagnostik, als zerstörungsfreie Methode zur Ermittlung der elastischen Eigenschaften eines Gesteins, näher betrachtet.

Keywords

dimensional stonespetrophysical and technical propertiesconfidence regionsprognostic approaches