Original paper

Thermal microcracking in Carrara marble

Weiss, Thomas; Rasolofosaon, Patrick N.J.; Siegesmund, Siegfried

Kurzfassung

Ultraschallgeschwindigkeitsmessungen werden häufig für die zerstörungsfreie Prüfung des Verwitterungszustandes von Marmoren eingesetzt. Dabei wird eine Geschwindigkeitsreduktion als Folge von Verwitterung generell mit anderen petrophysikalischen Größen, z.B. einem Zuwachs an Porosität, in Verbindung gebracht. Jedoch können verschiedenste Parameter für eine bestimmte beobachtete Geschwindigkeit in einer spezifischen Untersuchungsrichtung an einem Objekt verantwortlich sein. Calcit und/oder Dolomit, als die wesentlichen gesteinsbildenden Minerale in Marmor, weisen eine ausgeprägte Einkristallanisotropie, z.B. eine Richtungsabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeiten seismischer Wellen, in Abhängigkeit verschiedener kristallographischer Richtungen auf. Dementsprechend ist ein Gesamtgestein anisotrop, wenn die gesteinsbildenden Minerale eine Vorzugsorientierung aufweisen (intrinsische Anisotropie). Die intrinsische Anisotropie kann leicht ca. 10% betragen, was zu einer "natürlichen" Geschwindigkeitsvariation (ohne fortgeschrittene Zerstörung) bei unverwitterten Marmoren von ca. 0,5 km/s führen kann. Bei niedrigen Umschließungsdrücken (z.B. an Gebäuden), beeinflussen weiterhin verschiedene Typen von Mikrorissen (inter-, intra- und transgranulare Risse) die Geschwindigkeiten. Dabei sind intergranulare (Korngrenzen) Risse vorwiegend für die zuckerkörnige Verwitterung verschiedenster Marmore verantwortlich. Die räumliche Bestimmung des Geschwindigkeits-verringernden Effektes von Mikrorissen kann dabei zu quantitativen Bestimmung i) der Orientierung und ii) Effektivität von Mikrorissen als Folge der Verwitterung von Naturwerksteinen dienen. Eine Anisotropie, die durch Mikrorisse verstärkt wird, kann leicht 30% erreichen und muss somit in Geländemessungen der Ultraschallgeschwindigkeiten und deren tomographischer Inversion berücksichtigt werden. Drei Carrara-Marmortypen mit unterschiedlichen Gefügeeigenschaften sind in dieser Arbeit untersucht worden. Detaillierte Gefügeuntersuchungen wurden an den Marmoren durchgeführt um Korrelationskriterien für petrophysikalische Untersuchungen zu finden. Ultraschalluntersuchungen im Labormaßstab erlauben bei der Verwendung von Gesteinskugelproben die Bestimmung von Größenordnung und Orientierung natürlicher und thermisch induzierter Mikrorisse. Trockene Gesteinsproben zeigen dabei eine Kombination von intrinsischen und Riss-induzierten Eigenschaften, während bei wassergesättigten Proben der Riss-Einfluss deutlich verringert ist. Schließlich zeigen thermisch alterierte Proben im Vergleich zu den trockenen Proben den Effekt thermischer Rissbildung. Die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen trockener und wassergesättigten Proben betragen ca. 0,5 km/s, während die Geschwindigkeitsreduktion durch thermische Mikrorissbildung bei ca. 1,0 km/s liegt. Die Dichte der jeweiligen Mikrorisse in bestimmten Richtungen wird quantifiziert und mit Modellrechnungen sowie Mikrorissmessungen aus der quantitativen Gefügeansprache verglichen. Nur Mikrorisse mit einem Öffnungsverhältnis von 0,005 können die beobachteten Geschwindigkeitsverringerungen erklären. Der entsprechende Porositätszuwachs ist extrem klein und kann nicht mit herkömmlichen Verfahren zur Bestimmung der Porosität im Labormaßstab und schon gar nicht am Objekt selbst ermittelt werden.

Abstract

Ultrasonic wave velocity measurements are a frequently used tool for a non-destructive assessment of the state of degradation of a marble building stone. The velocity reduction due to deterioration is generally correlated with other petrophysical properties, e.g. an increase in the rock's porosity. However, a multitude of parameters can be responsible for a certain velocity at a specific direction of a monument. Calcite and/or dolomite as the predominant rock forming minerals in marbles exhibit pronounced seismic anisotropy, i.e. a directional dependence of ultrasonic wave velocities in different crystallographic directions. Accordingly, the whole-rock elastic properties will be anisotropic when the crystals in the rock volume possess a preferred orientation (so-called intrinsic anisotropy). Values for this intrinsic anisotropy can easily reach about 10% leading for intact marbles to a "natural" velocity variation (i.e. without proceeded damage) of about 0.5 km/s. However, different types of microcracks (inter-, intra- and transgranular cracks) influence significantly the ultrasonic velocities under low confining pressures (i.e. environmental conditions at buildings). Intergranular (grain boundary) microcracks are of prevailing importance in marbles leading to a sugar-like disintegration at a final stage of weathering. The spatial distribution of the velocity reducing effect of microcracks is used to diagnose i) orientation and ii) efficiency of crack systems (i.e. microcrack induced degradation) on building stones. Crack enhanced anisotropy can easily reach 30%, which has to be considered in field measurements using ultrasonic waves and in their tomographic inversion. Three Carrara marbles are used for the study which exhibit different fabric properties. Detailed quantitative fabric investigations are performed to parameters for a correlation with the petrophysical measurements. Laboratory ultrasonic experiments on spherical rock samples are performed to determine the magnitude and orientation of natural and thermally induced microcracks. Dry samples show a combination of intrinsic and crack-induced properties, while for the watersaturated samples the effect of microcracks is significantly reduced. In addition, thermally altered samples are investigated showing the effect of thermal deterioration. The velocity difference between dry and water saturated state is about 0.5 km/s while a thermal treatment causes a velocity reduction of about 1 km/s. The density of the respective crack systems at certain directions is quantified. The velocity reduction due to cracks is modeled by numerical models and compared with microcrack orientations determined from fabric analysis. Only cracks with a small aspect ratio of about 0.005 are able to explain the observed velocity reduction. The increase in porosity corresponding to thermal degradation is very small and, thus, not detectable by common porosity measurements at a laboratory scale or even on-site.

Keywords

marblesconstruction materialsstrengthultrasonic methodsvelocityweatheringthermal degradationmicrocracks