Sedimentgesteine – Kalkstein

Sedimentgesteine (Schichtgesteine, Sedimentite) entstehen als Verwitterungsprodukte an – derer Gesteine. Die Geschwindigkeit des Verwitterungsprozesses wird vom Gefuge des Gesteins beeinflusst. Grobkomige Minerale verwittem schneller als feinkomige. Die Art der Verwitterung hangt von den klimatischen Bedingungen und den geologischen Gege – benheiten ab. Gesteine konnen durch mechanische und/oder chemische Verwitterungspro-

zesse zerfallen bzw. umgebildet werden. Die mechanische (physikalische) Verwitterung fuhrt infolge standigen Temperaturwechsels (starke Sonneneinstrahlung, starke Abkiih – lung), kontinuierlichen Frost-Tau-Wechsels (Frostsprengungen durch gefrierendes Wasser und Aufiauen von Wasser in Gesteinsspalten), des Kristallisationsdruckes auskristallisie – render Salze (Salzsprengungen) und des standigen Einflusses sturmischer Winde und flie – Benden Wassers zu einer allmahlichen Zerkleinerung der Gesteine. Dabei andert sich die chemische Zusammensetzung der Gesteine nicht. Diese mechanischen Abtragungsprozesse werden auch als Erosion bezeichnet.

Die chemische Verwitterung (Losungsverwitterung) umfasst chemische Reaktionen, die zwischen den Bestandteilen des Gesteins und dem Wasser, einschlieBlich der darin gelos – ten Stoffe, ablaufen. Sie beruht auf Losungs-, Protolyse – und Hydrolysereaktionen sowie auf Oxidationsprozessen. Wasserlosliche Bestandteile werden gelost, an andere Stellen transportiert und dort beim Uberschreiten der Loslichkeitsgrenze als Salze abgelagert. Da in den oberen Bodenschichten vomehmlich schwer losliche Verbindungen anzutreffen sind, vollziehen sich die Losereaktionen uberwiegend in tieferen Schichten. Sie betreffen vor allem Kalke und Gipse. Die Carbonatverwitterung fuhrt zu einer,,Entkalkung“ car- bonathaltiger Gesteine. Kalklosende Prozesse spielen im Bauwesen bei der Korrosion von Natursteinen wie z. B. kalkig gebundenen Sandsteinen und von kalkhaltigen mineralischen Baustoffen eine wichtige Rolle (Кар. 9.4).

Auch die durch hydrolytische Prozesse ausgeloste Silicatverwitterung ist von bauchemi – schem Interesse. Ihr unterliegen vor allem Feldspate. In Gl. (9-1, 9-2) ist die hydrolytische Verwitterung von Kalifeldspat KAlSi308 gezeigt. Sie kann infolge Protolyse tiber die Zwi – schenverbindung HAlSi308 verlaufen (Gl. 9-1). Dabei mtisste der pH-Wert ansteigen, so – fem nicht saure Komponenten neutralisierend wirken. Nachfolgend kommt es entweder zur Bildung von Tonmineralen wie Kaolinit (Gl. 9-2) oder von Al(OH)3. Im Fall des Angriffs saurer Wasser werden die OH–Ionen neutralisiert.

In Gl. (9-3) ist die Bruttoreaktion der hydrolytischen Zersetzung von Kalkfeldspat (Anor – thit, CaAl2Si208) wiedergegeben.

KAlSi308 + H20 HAlSi308 + K+ + OH" (9-1)

Kalifeldspat

2 KAlSi308 + 3 H20 -> Al2(0H)4Si205 + 4 Si02 + 2 K+ + 2 OH“ (9-2)

CaAl2Si208 + 2 C02 + 3 H20 Al2(0H)4Si205 + Ca2+ + 2 HC03′ (9-3)

Kalkfeldspat

Die Verwitterungsprodukte werden zunachst als Lockermassen (Geroll, Kies, Sand, Ton) in Schichten abgelagert. Durch standiges weiteres Uberdecken erfolgt eine Veranderung der unteren Schichten. Durch den allmahlichen Druck – und Temperaturanstieg, durch che­mische Umsetzungen, Dehydratisierungs – und Umkristallisationsprozesse erfolgt eine Ver – festigung des Gesteins (Diagenese). Dabei entstehen Sedimente, in denen die Lockerge- steine durch Bindemittel (CaC03, Tonerdeminerale, Kieselsaure) verkittet sind.

Nach ihrem Entstehungsort unterscheidet man terrestrische (auf dem Land entstandene) und marine (im Meer entstandene) Sedimentgesteine. Nach der Art ihrer Entstehung un – terteilt man sie in zwei Gruppen: in klastische Sedimente (mechanische Sedimente, Triim – mergesteine) und chemische bzw. biogene Sedimente.

Klastische Sedimente. Zu den klastischen Sedimenten gehoren durch Diagenese verfes – tigte grobe Steine (Konglomerate, Brekzien), verfestigte Sande (Sandsteine) und Tone (Tonschiefer). Sandsteine besitzen im Bauwesen eine groBe Bedeutung. Sie enthalten vorwiegend Quarz, Feldspat und Glimmer, die in ein kieseliges, kalkiges oder toniges Bin – demittel eingebettet sind. Kieselig gebundene Sandsteine bezeichnet man auch als saure Sandsteine. Sie gehoren zu den hochwertigen Sandsteinen mit einer hohen Festigkeit. Sind ihre Poren weitgehend mit Bindemittel gefullt, sind sie frostsicher. Quarzite sind Sand­steine mit einem hohen Prozentsatz an kieseligem Bindemittel und einem vergleichsweise geringen Prozentsatz an Quarz (Si02)-Kristallen. Kalkig gebundene Sandsteine werden auch als basische Sandsteine bezeichnet. Sie sind, wie die Rauchgasschadigungen an Sand- steinfassaden alter Kirchen und Dome, z. B. der Leipziger Thomaskirche, zeigen, empfind – lich gegeniiber einem Angriff saurer Gase (vor allem S02). Grauwacken sind im Erdalter – tum entstandene graue Sandsteine.

Die Qualitat eines Sandsteins richtet sich nach seiner Komung. Je feiner und gleichmaBi – ger er im Korn ist, umso qualitativ hochwertiger ist der Sandstein. Die Druckfestigkeiten liegen fur Quarzit und Grauwacke zwischen 150…300 N/mm2, fur kieselig gebundene Sandsteine im Bereich 120…200 N/mm2 und fur sonstige Quarzsandsteine zwischen 30… 180 N/mm2.

Chemische und biogene Sedimente. Zu den am haufigsten vorkommenden und gleichzei – tig fur den Menschen nutzbringendsten Sedimentgesteinen gehoren die Kalksteine. Sie bestehen uberwiegend aus Calciumcarbonat CaC03 und werden der Gruppe der chemi – schen und biogenen (organischen) Sedimente zugeordnet. Gerade bei der Entstehung des Kalksteins wird deutlich, dass eine scharfe Trennung zwischen chemischen und biogenen Sedimenten nicht moglich ist.

Naturlich vorkommender Kalkstein ist zum einen durch Verwitterung von Feldspaten ent – standen. Er ist ein feinkristallines Calciumcarbonat, das vor allem durch Tonminerale ver – unreinigt ist (deshalb auch: Kalkstein-Ton-Gesteine). Liegt der Carbonatgehalt tiber 90% spricht man von Kalksteinen, liegt er unter 10% von Tonen. Dazwischen folgen die Stufen Mergelton (>10…30%), Tonmergel (>30…50%), Mergel (>50…70%), Kalkmergel (>70… 85%) und Mergelkalk (>85…90%); in Klammem jeweils die Carbonatgehalte. Bei den angefuhrten Mergelgesteinen darf der MgC03-Anteil 5% des Gesamtcarbonatgehalts nicht ubersteigen. Dolomit CaMg(C03)2 ist durch das Eindringen hoher konzentrierter magnesi – umhaltiger Losungen in kalkhaltige Gesteine entstanden. Der MgC03-Anteil liegt hier iiber 30% des Gesamtcarbonatgehalts.

Zum anderen entstand (und entsteht) der Kalkstein infolge Ausfallung der im Meer gelos – ten Calciumionen durch Carbonationen. Der Kalkgehalt des Meeres beruht auf den durch Verwitterungslosungen vom Festland herangefuhrten Hartebildnem (Кар. 6.4.1). Ein Teil der Calciumionen wird von den im Meer lebenden Organismen aufgenommen und zu kalk – haltigen Hartteilen (Schalen, Panzer, Skelette) verarbeitet (Biomineralisation). Sterben die Organismen ab, sinken sie zu Boden und bilden ebenfalls Kalkstein. Damit ist der am Mee – resboden sedimentierte Kalkstein ein Gemisch aus ausgefalltem (anorganisch-chemischen) und biogenem (organischen) Sediment. Muschelkalk, Kreide (z. B. Kreidefelsen auf der Insel Riigen) und Korallenkalk bestehen uberwiegend aus organischen Sedimenten. Die biogene Sedimentierung von kieselsaurehaltigen Schalen und Hartteilen der Diatomeen (Kieselalgen) fuhrte zur Bildung von Kieselgur (Кар. 9.2.2).

Kalktuffe sind gelbe bis rotliche, weiche, sehr gut bearbeitbare Kalksteine. Reiner Marmor ist weiB und unter hohem Druck entstanden. Die Farbigkeit der roten Varietaten ist auf Eisenoxid, der gelben bis braunen auf Eisenhydroxid und der grauen bis schwarzen auf Kohlenstoff zuriickzufuhren. Marmor ist gleichzeitig die Handelsbezeichnung fur alle po – lierfahigen Kalksteine.

Dolomite und dichte Kalksteine einschlielilich der Marmorvarietaten besitzen Druckfestig – keiten im Bereich von 80… 180 N/mm2. Mergel und Kalktuffe (z. B. Travertin) weisen deut – lich reduzierte Druckfestigkeiten auf, z. B. Mergel 20…90 N/mm2, Travertin 20…60 N/mm2. Salzgesteine wie Gips und Steinsalz sind chemische Sedimente. Sie sind im Ergebnis der Verdunstung von Meerwasser entstanden.

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Abbildung 9.1 Verwitterungsprozess eines magmatischen Erstarrungsgesteins (z. B.

Granit), Verwitterungsprodukte und daraus hergestellte Baustoffe.