Kvantitativ petrografisk analys av bergmaterial

www.vti.se/publikationer
VTI rapport 714
Utgivningsår 2011
Kvantitativ petrografisk analys av bergmaterial
En metodbeskrivning
Fredrik Hellman
Urban Åkesson
Thomas Eliasson
Utgivare:
Publikation:
VTI rapport 714
581 95 Linköping
Utgivningsår: Projektnummer:
Dnr:
2011
2009/0571-29
60937
Projektnamn:
Energieffektivt utnyttjande av bergmaterial i
väglinjen
Författare:
Uppdragsgivare:
Fredrik Hellman, Urban Åkesson och Thomas Eliasson
Trafikverket
Titel:
Kvantitativ petrografisk analys av bergmaterial – en metodbeskrivning
Referat (bakgrund, syfte, metod, resultat) max 200 ord:
Vägkonstruktioner är uppbyggda av stenmaterial i olika storleksfraktioner. Obundna ballastmaterial
används till bär- och förstärkningslager. Dessa lager ska fungera som ett fundament som ska kunna klara
trafiklast och klimatvariationer utan att deformeras och brytas ner. Egenskaperna på de obundna lagren
som bygger upp en väg bestäms i hög grad av bergmaterialkvalitet (mineralogi etc.), korngradering och
kornform. Sämre material kan användas i mindre känsliga delar av konstruktionen medan material med
hög kvalité bör användas i de mest känsliga övre delarna i konstruktionen. På så vis kan man utnyttja
resurserna i väglinjen och bergtäkter på bästa sätt. Kvaliteten på bergmaterialet bestämmer framtida
underhållsbehov och vägens tekniska livslängd i samspel med utförandet.
Rapporten innehåller en kort litteraturgenomgång där de viktigaste mineralogiska egenskaperna för
bergmaterial beskrivs ur ett tekniskt perspektiv.
En mikroskopisk metod presenteras för bestämning av bergmaterialkvalité. Den är framtagen för att bedöma tekniska egenskaper på berg för användning som obundet material i vägkonstruktioner. Tekniken
kan dock användas i andra sammanhang där teknisk karaktärisering av bergmaterial är viktig. Metoden
presenterar kvantitativ bedömning av mineralogi, kornfogning, kornstorlek, foliation och mikrosprickor.
Bilagor innehåller exempel på en utförd analys samt bilder för att underlätta bedömning och kvantifiering av tunnslip under mikroskop.
Nyckelord:
bergmaterial, ballast, sten, petrografi, mikroskopering, tunnslip
ISSN:
0347-6030
Språk:
Antal sidor:
Svenska
24 + 3 bilagor
Publisher:
Publication:
VTI rapport 714
SE-581 95 Linköping Sweden
Published:
Project code: Dnr:
2011
60937
2009/0571-29
Project:
Rock material in the road
Author:
Sponsor:
Fredrik Hellman, Urban Åkesson and Thomas Eliasson
The Swedish Transport Administration
Title:
Quantitative petrographic analysis of rock material – a method description
Abstract (background, aim, method, result) max 200 words:
Road structures are composed of aggregates of different size fractions. Unbound aggregates are used for
sub-base and base course layers. These layers should act as a foundation to be able to handle traffic loads
and climate variations without deformation and break down. The properties of the unbound layers are
largely determined by the rock quality (mineralogy, e.g.), grading curve and particle shape. Inferior
materials can be used in less sensitive parts of the structure, while materials with high quality should be
used in the more sensitive upper parts of the structure. In this way one can use the resources of rock
quarries in the best way. The quality of the rock material and manufacturing determines future
maintenance needs and technical lifetime of road construction.
The report contains a brief literature review in which the main mineralogical properties of the rock are
described from a technical perspective.
The report presents a microscopic method for the determination of rock quality. It is designed to assess
the technical characteristics of the rock for use as unbound material in road constructions. The method
can be used in other contexts where technical characterizations of rock material are important. The
method presents the quantitative assessment of mineralogy, grain boundaries, grain size, foliation and
micro cracks. Appendixes contain examples of a completed analysis and pictures to facilitate the
assessment and quantification of thin sections under microscope.
Keywords:
aggregate, rock material, petrography, microscopy, thin sections
ISSN:
0347-6030
Language:
No. of pages:
Swedish
24 + 3 Appendices
Förord
Projektet ”Energieffektivt utnyttjande av vägmaterial i väglinjen” startade 2009 som ett
samarbetsprojekt mellan VTI, Fredrik Hellman, och CBI, Urban Åkesson, finansierat av
Trafikverket. Ansvariga för projektet inom Trafikverket är Karl-Johan Loorents och
Klas Hermelin. Senare under projektets gång bytte Urban Åkesson arbetsgivare till
Trafikverket. Ansvarig för projektet på CBI blev då Karin Apelkvist. Projektet omfattar
tre delar där framtagandet av denna metod är första delen. Andra delen omfattar utvärdering av MWD-teknik (Measure While Drilling) som leds av Karin Apelkvist, CBI.
Vidare finns en tredje del där obundna lagers mekaniska egenskaper testas genom HVS
(Heavy Vehicle Simulator). HVS-resultaten och bergarternas mikrostruktur utvärderas
med den framtagna petrografiska metoden. Dessa resultat kommer att publiceras separat
i en annan VTI-publikation.
I framtagandet av den petrografiska metoden har, förutom författarna som skrivit
rapporten, även en expertgrupp deltagit. Expertgruppen har träffats en gång och fått
metoden presenterad. Gruppen har sedan bidragit med värdefull kunskap och förbättringar. Gruppen består av Tomas Eliasson, SGU, Karel Miskovsky, LTU, Lars Stenlid,
Skanska, och Sven Wallman, NCC. Ett stort tack till denna grupp!
Linköping december 2011
Fredrik Hellman
VTI rapport 714
Omslag: Fredrik Hellman, VTI
Kvalitetsgranskning
Extern peer review har genomförts 2011-12-06 av Karl-Johan Loorents, Trafikverket.
Fredrik Hellman har genomfört justeringar av slutligt rapportmanus. Projektledarens
närmaste chef Gunilla Franzén, VTI, har därefter granskat och godkänt publikationen
för publicering 2011-12-07.
Quality review
External peer review was performed on 6 December 2011 by Karl-Johan Loorents, The
Swedish Transport Administration. Fredrik Hellman has made alterations to the final
manuscript of the report. The research director of the project manager Gunilla Franzén,
VTI, examined and approved the report for publication on 7 December 2011.
VTI rapport 714
Innehållsförteckning
Sammanfattning ................................................................................................. 5
Summary ............................................................................................................ 7
1 Introduktion .............................................................................................. 9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Petrografi – viktiga tekniska egenskaper på berg .................................. 10 Mineralogi .............................................................................................. 10 Kornfogning ........................................................................................... 11 Foliation ................................................................................................. 11 Kristallstorlek ......................................................................................... 12 Mikrosprickor ......................................................................................... 12 Sekundära omvandlingar ....................................................................... 13 Porositet................................................................................................. 13 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Genomförandet av petrografisk analys .................................................. 14 Utrustning .............................................................................................. 14 Provhantering ........................................................................................ 14 Makroskopisk analys ............................................................................. 14 Mikroskopisk analys ............................................................................... 14 Mineralogisk sammansättning bergartsbestämning ............................... 15 4 Slutsats .................................................................................................. 22 5 Referenser ............................................................................................. 23 Bilagor
Bilaga 1
Tunnslipsundersökning av bergmaterial
Bilaga 2
Kornfog
Bilaga 3
Folationsindex (FIX)
VTI rapport 714
VTI rapport 714
Kvantitativ petrografisk analys av bergmaterial – en metodbeskrivning
av Fredrik Hellman, Urban Åkesson och Thomas Eliasson
VTI
581 95 Linköping
Sammanfattning
Vägkonstruktioner är uppbyggda av stenmaterial i olika storleksfraktioner. Obundna
ballastmaterial används till bär- och förstärkningslager. Dessa lager ska fungera som ett
fundament som ska kunna klara trafiklast och klimatvariationer utan att deformeras och
brytas ner. Egenskaperna på de obundna lagren som bygger upp en väg bestäms i hög
grad av bergmaterialkvalitet (mineralogi etc.), korngradering och kornform. Sämre
material kan användas i mindre känsliga delar av konstruktionen medan material med
hög kvalité bör användas i de mest känsliga övre delarna i konstruktionen. På så vis kan
man utnyttja resurserna i väglinjen och bergtäkter på bästa sätt. Kvaliteten på bergmaterialet bestämmer framtida underhållsbehov och vägens tekniska livslängd i samspel
med utförandet.
Rapporten innehåller en kort litteraturgenomgång där de viktigaste mineralogiska egenskaperna för bergmaterial beskrivs ur ett tekniskt perspektiv.
En mikroskopisk metod presenteras för bestämning av bergmaterialkvalité. Den är
framtagen för att bedöma tekniska egenskaper på berg för användning som obundet
material i vägkonstruktioner. Tekniken kan dock användas i andra sammanhang där
teknisk karaktärisering av bergmaterial är viktig. Metoden presenterar kvantitativ
bedömning av mineralogi, kornfogning, kornstorlek, foliation och mikrosprickor.
Bilagor innehåller exempel på en utförd analys samt bilder för att underlätta bedömning
och kvantifiering av tunnslip under mikroskop.

Trafikverket
Sveriges Geologiska Undersökningar (SGU)

VTI rapport 714
5
6
VTI rapport 714
Quantitative petrographic analysis of rock material – a method description
by Fredrik Hellman, Urban Åkesson and Thomas Eliasson
VTI (Swedish National Road and Transport Research Institute)
SE-581 95 Linköping Sweden
Summary
Road structures are composed of aggregates of different size fractions. Unbound
aggregates are used for sub-base and base course layers. These layers should act as a
foundation to be able to handle traffic loads and climate variations without deformation
and break down. The properties of the unbound layers are largely determined by the
rock quality (mineralogy, e.g.), grading curve and particle shape. Inferior materials can
be used in less sensitive parts of the structure, while materials with high quality should
be used in the more sensitive upper parts of the structure. In this way one can use the
resources of rock quarries in the best way. The quality of the rock material and
manufacturing determines future maintenance needs and technical lifetime of road
construction.
The report contains a brief literature review in which the main mineralogical properties
of the rock are described from a technical perspective.
The report presents a microscopic method for the determination of rock quality. It is
designed to assess the technical characteristics of the rock for use as unbound material
in road constructions. The method can be used in other contexts where technical
characterizations of rock material are important. The method presents the quantitative
assessment of mineralogy, grain boundaries, grain size, foliation and micro cracks.
Appendixes contain examples of a completed analysis and pictures to facilitate the
assessment and quantification of thin sections under microscope.

Trafikverket, The Swedish Transport Administration
Sveriges Geologiska Undersökningar (SGU), Geological Survey of Sweden

VTI rapport 714
7
8
VTI rapport 714
1
Introduktion
Vägkonstruktioner är uppbyggda av stenmaterial i olika storleksfraktioner. Obundna
ballastmaterial används till bär- och förstärkningslager. Dessa lager ska fungera som ett
fundament som ska kunna ta upp last från trafiken utan att deformeras och brytas ner.
Under byggskedet ska de övre obundna lagren fungera som plattform och slitlager för
byggtrafik. I de bundna lagren ska stenmaterialet interagera med bindemedlet som kan
vara asfalt eller cement. Detta ställer helt skilda krav på stenmaterialet beroende på
användningsområde. För att bygga en väg med hög beständighet med låga underhållsbehov måste stenmaterial med rätt egenskaper baserat på användningsområde användas.
Egenskaperna på de obundna lagren som bygger upp en väg bestäms av bergmaterialkvalitet (mineralogi etc.), korngradering och kornform. Sämre material kan användas i
mindre känsliga delar av konstruktionen medan material med hög kvalité bör användas i
de mest känsliga övre delarna i konstruktionen. På så vis kan man utnyttja resurserna i
väglinjen och bergtäkter på bästa sätt. Kvaliteten på bergmaterialet bestämmer framtida
underhållsbehov och vägens tekniska livslängd i samspel med utförandet.
För att bestämma bergmaterialets kvalitet och lämplighet i olika delar av vägkonstruktionen behöver materialet genomgå ett antal tester. De som anses mest kritiska för vägmaterial är kravbestämda i regelverk som Anläggnings AMA och Trafikverkets tekniska
regelverk. I nuvarande regelverk och även standarder (SS-EN) saknas en tydlig beskrivning av hur bergmaterialets mineralogiska egenskaper ska beskrivas. Ett omfattande
arbete för bedömning av mekaniska egenskaper baserat på petrografi har gjorts av
Johansson med flera (2011). Detta arbete innehåller petrografisk bedömning och
mekaniska analyser av 34 bergarter.
Denna rapport innehåller en kort generell litteraturgenomgång där de viktigaste mineralogiska egenskaperna för bergmaterial beskrivs ur ett tekniskt perspektiv. Rapporten ger
ett förslag på hur en petrografisk mikroskopisk analys av bergmaterial som ska
användas i obundna lager i vägkonstruktioner bör utföras. För användning i betong kan
ytterligare information, som t.ex. alkali kisel reaktivitet vara nödvändig. Enbart en
petrografisk analys kan inte ge en fullständig bild av materialets lämplighet i konstruktionen. Petrografisk information ska ses som grunddata man måste ha innan man utför
andra laboratorieanalyser och produktionskontroller. Det kan vara en hjälp att förstå
vilka andra analyser man ska gå vidare med för att undersöka ett bergmaterial för ett
bestämt ändamål.
VTI rapport 714
9
2
Petrografi – viktiga tekniska egenskaper på berg
Viktiga egenskaper på berg kan beskrivas genom en petrografisk analys. Om en fördjupad kunskap önskas finns litteratur som behandlar petrografisk analys i relation till
mekaniska bergkvalitéanalyser publicerad i t.ex. Johansson med flera, 2011 och
Johansson, 2011.
En bergarts tekniska egenskaper styrs till stor del av följande faktorer:
 Mineralogisk sammansättning
 Kornfogning
 Foliation
 Kristallstorlek
 Mikrosprickor
 Sekundära omvandlingar
 Porositet.
Dessa faktorer samverkar och det är alltid den svagaste egenskapen som begränsar de
mekaniska egenskaperna. Dessa kan skilja stort mellan olika bergarter och ibland även i
en och samma bergart, t.ex. granit. Dessa faktorer behandlas generellt nedan.
2.1
Mineralogi
En bergart byggs upp av mineral som är sammanfogade. Mineralkemi och kristallstruktur bestämmer de enskilda mineralkornens grundläggande fysikaliska egenskaper
som t.ex. kristallform, spaltbarhet, densitet och hårdhet. Dessa primära egenskaper är
viktiga men inte tillräckliga för att bestämma bergartens tekniska egenskaper. Speciellt
viktiga för en bergarts mekaniska egenskaper är mineralens hårdhet och spaltbarhet.
Mineralens hårdhet bidrar till bergartens mekaniska egenskaper som slitbarhet, motstånd mot fragmentering och tryckhållfasthet. De flesta mineral har även en eller flera
spaltriktningar där kristallerna lättast bryts upp (spaltas). Dessa svaghetsplan i enskilda
mineralkorn kan inverka negativt på bergartens hållfasthet. Mest påtagligt blir försämringen i grovkorniga bergarter. De mest extrema exemplen är glimmermineralen som är
fullständigt spaltbara i en riktning. En bergart som innehåller mineral med hög spaltbarhet får alltså sämre mekaniska egenskaper.
Även de elastiska egenskaperna och förmåga att kvarhålla fukt är skadlig i vägkonstruktionen. Vid krossning anrikas glimmermineralen (biotit och muskovit) i finfraktionerna
(Miskovky, 2004; Loorents med flera, 2007; Johansson med flera, 2008). Enligt
Loorents med fler (2007) anrikas glimmermineralen vid krossning av medel till grovkorniga granitoider och andelen fri glimmer ökar fraktionsvis ner till fraktion 0,1250,25mm. I de finare fraktionerna minskar eller hålls andelen fri glimmer på samma nivå.
Arvidsson och Loorents, (2008) visar i kontrollerade laboratorieförsök att hög glimmerhalt försämrar frost och tjälegenskaperna på obundna bärlager. Även möjligheten att
packa materialet försämras (Höbeda, 1974). Detta gör att hög glimmerhalt kraftigt kan
försämra beständigheten på bär-och förstärkningslager (Höbeda, 1971; Loorents med
flera 2007; Noikov, 2008) och även bitumenbundna lager (Höbeda, 1987; Miskovsky,
2004; Hakim och Said 2003; Ekblad 2007; Said med flera, 2009).
I svenska bergarter är det också ofta fältspaterna med sin spaltbarhet som försämrar
hållfastheten (Höbeda, 1971). Ju perfektare fältspatkristallerna är skapade desto lättare
spricker de i spaltplanen. Men sericitomvandling (omvandling till mycket finkornig
10
VTI rapport 714
muskovit eller sericit) gör spaltplanen mer diffusa och fältspatens fysiska egenskaper
ändras. Åkesson med flera (2004) och opublicerade studier (Karin Appelquist, CBI och
Thomas Eliasson, SGU) indikerar att hållfastheten och motståndet mot fragmentering
till viss del förbättras med ökad sericitomvandling. En mycket kraftig sericitomvandling
kommer dock troligen att försämra hållfastheten vilket också indikeras i en studie av
Göransson med flera (2004).
Kvarts har inte någon utpräglad spaltningsriktning i sin kristallstruktur. Detta i kombination med kvartsens hårdhet och förmåga att omkristallisera och bilda komplexa korngränser är de viktigaste orsakerna till att kvartsrika bergarter ofta har bra mekaniska
egenskaper. Mineralogi bestämmer också hur mottaglig bergarten är för vittring.
Den mineralogiska sammansättningen och dess struktur/textur används för att klassificera och namnge bergarten. Grovt delas bergarterna in i tre huvudtyper, 1) Magmatiska och vulkaniska, 2) Sedimentära och 3) Metamorfa. När det gäller magmatiska och
vulkaniska bergarter används klassificering enligt Streckeisen (1976). Man utgår där
från procentuella fördelningen mellan kvarts, plagioklas och kalifältspat. Man skiljer på
huvudmineral och assessoriska mineral. Huvudmineralen dominerar bergarten och de
assesoriska finns i en mindre mängd (<5%).
2.2
Kornfogning
Hur mineralen är sammanväxt brukar benämnas kornfogning. Kornfogningen har stor
inverkan på bergartens sprödhet och motståndskraft mot slitage (t.ex. Höbeda, 1971;
Höbeda, 1995; Göransson med flera, 2004; Persson och Göransson, 2005; Loorents,
2006). En enkel rak kornfogning domineras av en rak gräns mellan mineralkornen som
möts i trippelpunkter med 120° vinklar. Denna typ av kornfog ger upphov till en spröd
bergart med dålig slitstyrka (Höbeda, 1995; Åkesson, 2004). Slitaget sker genom att
bergarten spricker i de svaga kornfogarna när den utsätts för hög stress som bildas vid
belastning och nötning. En mer komplex gräns mellan mineralkornen som domineras av
sammanväxningar ger en bergart som tål stress bättre. Den blir hård och har god slitstyrka. Detta uppnås genom att sprickorna tvingas att gå genom mineralkornen vilket
ofta är svårare och kräver en högre belastning. Uppsprickning sker lättare utmed raka
korngränser. Hur kornfogning, om-kristallisering och deformation i mikroskala sker i
bergarter beskrivs i detalj i Passchier och Trouw (2005).
2.3
Foliation
Foliation definieras som en parallell struktur i berget. Begreppet kan innefatta primär
lagring, gnejsighet och förskiffring. Dessa utgör försvagningar i berget. Foliationen
sammanfaller ofta med en svag spaltriktning som t.ex. orienterade glimmermineral eller
lermineral. Resultatet blir en bergart som mycket lätt spricker upp i denna riktning. De
mekaniska egenskaperna kan då bli mycket dåliga. Vissa metamorfa bergarter med
synlig foliation har dock omkristalliserat så att man i mikroskala fått mer komplexa
kornfogar som håller ihop bergarten. Dessa bergarter har bra mekaniska egenskaper. Ett
exempel är vissa mylonitiska (mycket finkorniga) kvartsrika bergarter. Persson och
Göransson (2005) visar att granitoider i Baltiska urbergsskölden får bra mekaniska
egenskaper (dvs. låga LA1-värden med LA-metoden). Dessa bergarter har utsatts för
plastisk deformation och omkristalliserats under en regional metamorfos (dvs. hög
1
LA = Los Angeles
VTI rapport 714
11
temperatur och högt tryck) djupt ner i jordskorpan. De låga LA-värdena kan kopplas till
mer komplexa kornfogar och ökad mängd mörka mineral i dessa bergarter. Andra deformerade bergarter har dock högre LA-värden och detta kan kopplas till omkristallation
och bildandet av raka korngränser med 120° trippelpunkter.
2.4
Kristallstorlek
Kristallstorlek har en avgörande betydelse för de mekaniska egenskaperna (t.ex.
Höbeda, 1971; Åkesson 2004; Göransson med flera, 2004; Persson och Göransson,
2005). Finkorniga bergarter har ofta bättre mekaniska egenskaper än grovkorniga.
Undantag är finkorniga bergarter med en tydlig förskiffring eller gnejsighet som ger
upphov till svaghetsplan i en eller flera riktningar (se 2.3 Foliation ovan). Alternativt att
mineralogin är sådan att den ger upphov till en svag bergart som t.ex. en kalksten eller
ett dåligt litifierat (hopkittat) sediment med hög porositet eller vittrad bergart. Grovkorniga bergarter med rak kornfogning ger spröda och dåliga mekaniska egenskaper.
Den större kristallstorleken gör också att mineralens spaltbarhet kan få en dominerande
roll. Ibland består en bergart av olika kristallstorlekar som t.ex. en porfyr där större
kristaller existerar i ett finkornigt matrix av hård kvarts och fältspatkristaller. Dessa
bergarter är mycket hårda då den finkorniga kvartsens egenskaper med sammanväxta
kornfogar dominerar bergarten.
2.5
Mikrosprickor
Mikrosprickor har stor betydelse för bergartens mekaniska egenskaper. Mikrosprickor
är öppna diskontinuiteter som har en storlek motsvarande kristallstorleken eller mindre,
vanligen utan betydande rörelseförskjutning (Passchier och Trouw; 2005). Man skiljer
mellan intragranulära och transgranulära sprickor. En intragranulär spricka finns inuti
kristallen och de transgranulära går rakt igenom och påverkar flera kristaller. Ett
specialfall är korngränssprickor som är mikrosprickor längs kornfogarna.
Mikrosprickor bildas när bergarten utsätts för deformation i sprött tillstånd. Deformationen kan bestå av termal kontraktion vid avkylning, tryckavlastning, tektoniska
rörelser i jordskorpan (Kowallis och Wang, 1983; Åkesson med flera, 2004) eller från
sprängning, krossning och annan hantering. Generellt gäller att sprickpropagering sker
lättare utmed raka långa ytor som t.ex. raka kornfogar eller spaltytor i grovkorniga
bergarter än om sprickan tvingas göra böjar runt mineralkorn. Mikrosprickor har en
avgörande roll för sprickinitiering och motståndet mot fragmentering. Åkesson med
flera (2004) menar att uppkomsten av transgranulära sprickor först börjar propagera från
mikrosprickor i svaga korngränser (kornfogar) för att sedan vid ökad spänning bilda
transgranulära sprickor. Det är vanligt att mikrosprickorna läker ihop genom att det
kristalliserar nya mineraler. Vilken mineralogi det blir beror på sammansättning på de
vätskor som rör sig i sprickan. Vanliga sprickfyllnadsmineral är kalcit, klorit, kvarts och
epidot. De läkta sprickorna kan utgöra svagheter i berget ge upphov till ny sprickbildning.
12
VTI rapport 714
2.6
Sekundära omvandlingar
Vissa mineraler bildas genom omvandling av andra mineraler genom påverkan av olika
kemiska och fysiska processer. Detta är ganska komplexa processer som ständigt pågår i
jordskorpan pga. förändrat tryck- och temperaturförhållande. Mineralen och bergarten
omvandlas i kontakt med hett vatten eller gas (s.k. pneumatolytiska eller hydrotermala
lösningar). Reaktionshastigheten kan variera från miljontals år till snabba processer som
tar några få år.
Mekanisk nerbrytning påskyndar processerna som t.ex. spröda tektoniska zoner.
Plagioklas som är utsatt för sericitomvandling verkar dock som tidigare beskrivits förbättra motståndet mot fragmentering.
Däremot kraftigt vittrade bergarter där vittringsprocessen gått långt och berget börjar
brytas ner och förlorat sin styrka är skadliga. Loorents (2006) beskriver dessa problem
och konstaterar att problemen inte är allmänna i Sverige men kan vara stora lokalt i t.ex.
vägskärningar och vid tunneldrivning. Ett känt exempel med mycket stora problem med
vittrad granit är tågtunneln genom Hallandsåsen där man underskattade omfattning och
vittringsgrad. Skadliga mineral som klorit och leromvandlingar kan ge upphov till
problem som t.ex. porösa lätt eroderade material med rasrisk, förhöjd finmaterialhalter,
svällande, frös-tö problem och försämrad vidhäftning och andra beständighets problem.
2.7
Porositet
Svensk kristallin berggrund har ofta låg porositet vanligen under ca 0,5 volymprocent
och den utgör sällan ett problem Höbeda (1995) och Mazurek med flera (1996). Ibland
kan vissa sedimentära bergarter som sandstenar ha en hög porositet. Porositet kan
försämra kvalitén på bitumenbundna lager då bindemedlet sugs in i ballasten. De
mekaniska egenskaperna är också sämre vid hög porositet.
VTI rapport 714
13
3
Genomförandet av petrografisk analys
Metoden omfattar en petrografisk analys av bergmaterial där mineralogiska och
mikrostrukturella parametrar hos bergarten redovisas. Resultatet från analysen skall
utgöra en grund för bedömning av bergmaterialets egenskaper för olika användningar i
samband med vägbyggnation.
3.1







3.2
Utrustning
Utrusning för tillverkning av tunnslip impregnerade med fluorescens epoxi
Polarisationsmikroskop med möjlighet till både parallella nicoller (genomfallande ljus) och korsade nicoller (korspolariserat ljus)
Möjlighet till UV-ljusmikroskopering i fluorescerande ljus (till detta används ett
blåfilter – BG12 som excitationsfilter under polarisatorn och ett gult blockeringsfilter – K530 alternativt K515 i ljusgången över provet)
Kalibreringsskala till mikroskop (vanligen med 0,01 mm gradering)
Digitalkamera kopplad till mikroskopet
Linjal med mm-skala
Möjlighet till utskrift av färgbilder.
Provhantering
Ett representativt bergartsprov ska användas till analysen. Provtagning av ballastprov
från produktionsanläggningar och upplag ska göras enligt SS-EN 932-1 eller liknande
standard. Om provtagning sker i vägskärning eller häll bör ett program utarbetas för
provtagningen för att säkerställa att representativ provtagning sker. Programmet bör
baseras på geologisk kartering och annan viktig information som t.ex. borrhåls- eller
geofysiska data. Syftet med bergartsanalysen ska framgå. Varje delprov ska ha GPSkoordinater och provmärkning så att provtagningsplatsen kan återfinnas. Plats och
resultat bör arkiveras i ett databassystem.
Provet som väljs ut för framställning av tunnslip kan vara del av en borrkärna eller en
stuff. Om bergarten är folierad (t.ex. gnejsig) skall snittet för tunnslipet vara vinkelrät
mot foliationsriktningen. För att kunna bestämma andelen öppna mikrosprickor i tunnslip skall provet impregneras med fluorescerande epoxi före tunnslipstillverkningen,
alternativt kan det infärgas med spritpenna. Om provet består av krossat bergmaterial
skall hela provet krossas och en 2–4 mm fraktion siktas fram för att få ett representativt
prov. Provet delas sedan ner och gjuts in i epoxi. Tunnslip (2 st.) tillverkas på det
ingjutna preparatet.
3.3
Makroskopisk analys
Makroskopisk analys genomförs enligt SS-EN 932-3 Förenklad Petrografisk analys.
3.4
Mikroskopisk analys
Mikroskopisk analys utförs på tunnslip i polarisationsmikroskop. Ett förslag på resultatredovisning ges i bilaga 1.
14
VTI rapport 714
3.5
Mineralogisk sammansättning bergartsbestämning
Provets mineralogiska sammansättning bestäms genom punkträkning. Minst 500 punkter skall räknas. Resultatet redovisas i procent och antal räknade punkter av respektive
mineral. Om problem uppstår med att identifiera mineralen i tunnslip kan röntgendiffraktion eller svepelektronmikroskopi användas som alternativa metoder för mineralogisk bestämning. Om sekundära omvandlingar återfinns i provet, exempelvis sercitisering av fältspater så skall detta redovisas. Utifrån den mineralogiska sammansättningen görs bergartsbestämning. För namngivning används nomenklatur enligt
SS-EN 932-3. Magmatiska bergarter kan klassificeras enligt Streckeissen (1976).
Om opaka mineral identifieras kan detta ge anledning att misstänka förekomst av
sulfidmineral. Bedömningsgrunder kan hittas i Trafikverkets publikation”TR2010-01,
Handbok för hantering av sulfidförande bergarter”.
3.5.1
Kornstorlek
Kornstorleken och kornstorleksfördelningen bestäms kvantitativ genom mätning av de
mineralkorn som skär traverslinjer (svarta linjer i figur 1). Analysen kan göras på ett
antal utskrivna bilder tagna från tunnslipet eller med ett bildanalysprogram. Mineralkornens längsta diameter mäts (röda linjer i figur 1). Minst 200 mineralkorn ska mätas
för att få en representativ fördelning.
Figur 1 Mikroskopibild som visar hur kornstorleken mäts. De röda linjerna är den
längsta diametern hos mineralet som skär traverslinjen.
VTI rapport 714
15
Nedan beskrivs ett enkelt sätt att utföra kornstorleksberäkningen. Utskrivna bilder
används där längden mäts med hjälp av en linjal. Hur många bilder som behöver mätas
är beroende av skalan som bilden tagits i och kornstorleken hos det analyserade provet.
Längden på mineralkornet mäts i mm och räknas sedan om till verklig kornstorlek enligt
följande:
Verklig kornstorlek = uppmätt längd x (verklig bildstorlek/bildens storlek)
Exempel: Om ett den uppmätta längden på mineralkornet är 7 mm och bildens storlek
på 180 x 130 mm motsvarar 2,8 x 2,1 mm i verklig storlek blir den verkliga kornstorleken:
7 x (2,8/180) = 0,11 mm
Resultatet redovisas som en kumulativ fördelningskurva samt medelkornstorleken för
provet (figur 2). Medelkornstorleken bestämmer om bergarten ska klassas som fin(<1 mm), medel- (1-5 mm) eller grovkornig (>5 mm).
Resultaten åskådliggörs enligt figur 2. De uppmätta kornen sorteras i storleksordning.
För varje korn beräknas andel (%) av summerade längden av alla uppmätta korn. Den
kumulativa fördelningen plottas enligt diagrammet. För att underlätta jämförelse mellan
olika prover ska diagrammet ha en x-axel från 0-10 mm med gränser för fin-, medeloch grovkornighet inlagt.
Figur 2 Diagram som visar hur kornstorleksfördelningen redovisas.
16
VTI rapport 714
3.5.2
Kornform och kornfogning
Kornformen på kristallerna bedöms utifrån hur välutvecklade kristallytor och kristallform är jämfört med en ideal kristall enligt figur 3.
Euhedral
Subhedral
Anhedral
Nålformad /flakig
Figur 3 Euhedral – Välutvecklade kristallytor. Subhedral – Några välutvecklade
kristallytor men också oregelbundna. Anhedral – Inga välutvecklade kristallytor.
Nålformad/flakig – nålformade eller flakiga ytor.
Beskrivning av kornfogar eller graden av sammanväxning av kristallerna beskrivs enligt
en femgradig skala enligt figur 4. En rak kornfog bedöms som skala 1 medan en kraftigt
flikig och oregelbunden bedöms som skala 5. Exempel på tunnslipsbilder med kornfogsbedömning finns i bilaga 2. I samband med bedömningen beskrivs om kristallerna
är jämnkorniga, ojämnkorniga eller porfyriska. Vanliga begrepp som används för
beskrivning av mikrostruktur finns i tabell 1.
Tabell 1 Nomenklatur och förklaring av några vanliga termer för mikrostrukturer
(Passchier, C. W., Trouw, 1995, kapitel 3).
Benämning
Förklaring
Polygonal rak
Flikig oregelbunden
Jämnkornig
Bimodal fördelning
Raka korngränser
Oregelbundna flikiga sammanväxta korngränser
Alla korn i ungefär lika storlek
Två kristallstorlekar t.ex. jämnkornigt matrix med större
strökorn
Gradering av många kornstorlekar från finkorniga till
grovkorniga
Mosaik av likformade kristaller.
Mikrostruktur med en dominans av tabulära mineral med tydlig
orientering.
Ojämnkornig mikrostruktur med stora korn som vuxit till vid
metamorfos.
Orienterad mikrostruktur, där mineralkornen utsatts för kraftig
duktil deformation.
Bergarten har blivit utsatt för spröd deformation utan att den
blivit uppsmält.
Ojämnkornig
Granoblastisk
Lepidoblastisk
Porfyroblastisk
Mylonitisk
Kataklastisk
VTI rapport 714
17
Figur 4 Skala för bedömning av kornfogar.
18
VTI rapport 714
3.5.3
Mineralorientering
Mineralorientering kan bestämmas kvantitativt. Detta görs genom att mäta foliationsindex (FIX) (Åkesson et. al., 2003). FIX bestäms genom att räkna antalet korngränser
på tunnslipet (se figur 5) som skär en bestämd analyssträcka parallellt (PL)II och vinkelrät (PL) foliationsriktningen. De korngränserna som skär hårkorset (PL)II parallellt och
vinkelrät(PL) räknas. Totalt bör en sträcka på 100 mm analyseras, beroende på kornstorlek och heterogenitet hos bergmaterialet.
FIX beräknas enligt: FIX = (PL) / (PL)II
Ett FIX < 1,10 motsvarar en isotrop bergart.
Figur 5 Bilden visar principen för mätning, 6 röda lodräta och 6 horisontella blåa
korngränser (sericitomvandling och små mineralinklusioner räknas inte). Den runda
ringen representerar okularets utsnitt och linjerna hårkorset.
Utifrån resultatet från mätningen klassas foliationen i en fem gradig skala (tabell 2).
VTI rapport 714
19
Tabell 2 Skala för foliationsindex.
Skala
Fix
1
1–1,10 (massformig)
2
1,10–1,30
3
1,30–1,50
4
1,5–1,8
5
>1,8
(Kraftigt folierad)
I bilaga 3 redovisas mikroskopibilder med mikrostrukturer med olika foliationsindex.
Dessa kan användas om petrografen väljer att göra en kvalitativ bestämning av foliationen.
Vid bedömningen skall det anges om foliationen består av kontinuerliga plan och vilka
mineraler som utgör foliationsplanen.
Om tunnslipet består av krossat bergmaterial kan foliationen bara bedömas kvalitativt.
3.5.4
Bestämning av mikrosprickor
Provet analyseras med mikroskopet inställt för fluorescerande ljus (figur 6). För en
bergarts funktionsegenskaper är typen av öppna mikrosprickor avgörande, dvs. om de
uppträder som intragranulära (inuti ett mineralkorn), transgranulära (korsar flera
mineralkorn) eller som korngränssprickor. För sprickor som inte är öppna identifieras
sprickfyllnadsmineral i korspolariserat ljus (vanlig ljusmikroskopering).
För kvantitativ bedömning av öppna mikrosprickor kan en liknande metod som används
för att bestämma kornstorlek tillämpas även för mikrosprickor. Antalet mikrosprickor
som skär en analyslinje räknas och redovisas sedan som antal sprickor/mm man ska då
skilja på transgranulära, intragranulära och korngränssprickor. Totalt bör en sträcka på
100 mm analyseras. Mätningen skall göras i två riktningar på tunnslipet, åtskilda med
90º vinkel. Analyssträckan skall vara lika lång i bägge riktningarna.
Figur 6 Kombinerad polarisation och Fluorescensmikroskopibild som visar
mikrosprickor hos en granit. Bildytan motsvarar 2,8 x 2,1 mm.
20
VTI rapport 714
3.5.5
Rapportmall
I rapporten skall minst följande uppgifter ingå:










Namn och adress på provtagningslaboratoriet
Identifikation och datum på rapporten
Uppdragsgivarens namn och adress
Uppdragets syfte
Uppgifter om provtagningens utförande
Beskrivning av provet och dess märkning
Provets ankomstdatum till provningslaboratoriet
Provningsdatum
Resultat (se mall nedan och exempel i bilaga 1)
Signatur med titlar.
Resultatmall tunnslipsundersökning av bergmaterial.
Prov
Provtagning
Bergartsbeskrivning
Mineral vol-%
Punkträkning
Sekundära omvandlingar,
t.ex. klorit, sericit lermineral
Kornstorlek och
kornstorleksfördelning
Provmärkning, provtagningsplats
Kommer provet från stuff, borrkärna eller
kross. Antal tunnslip
Makroskopisk bild av provet
Klassificering enlig SS-EN 932-3 eller
Streckeisen (1976)
Tabell med procentuell fördelning och antal
räknade korn (minst 500 korn)
Beskrivning i fri text
Diagram enligt figur 2, samt
medelkornstorlek
Generell beskrivning av
mikrostruktur
Beskrivning av kornform och mikrostruktur
enligt figur 3 och tabell 1
Kornfog
Klassificering enl. figur 4 samt exempel i
bilaga 2 bild av provet
Mineralorientering
1–5 skala enligt bilaga 2
Foliationsindex (FIX)
Beskrivning och eventuellt antal sprickor
per mm
Mikrosprickor
VTI rapport 714
21
4
Slutsats
Denna rapport presenterar en mikroskopisk metod att undersöka bergmaterial kvalité.
Den är främst framtagen för att bedöma de tekniska egenskaperna för användning som
obundna material i vägkonstruktioner. Tekniken kan dock användas i andra sammanhang där teknisk karaktärisering av bergmaterial är viktig. Metoden involverar kvantitativ bedömning av mineralogi, kornfogning, kornstorlek, foliation och mikrosprickor.
Bilaga 1 innehåller ett exempel på en utförd analys.
22
VTI rapport 714
Referenser
Arvidsson, H. och Loorents, K-J. (2008). Inverkan av köld och vatten på glimmerhaltiga
bärlager. VTI notat 2-2008, VTI (Statens väg- och transportforskningsinstitut),
Linköping (www.vti.se/publikationer).
Ekblad, J. (2007). Influence of water on coarse granular road material properties. PhD
thesis, KTH, Stockholm, Sweden.
Göransson, M. Persson, L. & Wahlgren, C-H. (2004). The variation of bedrock quality
with increasing ductile deformation. Bull. Eng. Geol. Environ. 63. 337–344.
Hakim, H. & Said, S. (2003). Glimmer i bitumenbundna beläggningar, inverkan av fina
fria glimmerkorn. VTI-notat 8-2003, Statens väg- och transportforskningsinstitut (VTI,
Linköping.
Höbeda, P. (1971). Bergmaterial till vägbyggnad. Statens väginstitut, Stockholm.
Specialrapport 84. 1–126.
Höbeda, P. (1987). Glimmer i vägmaterial: Inverkan på egenskaper och analysmetoder
för glimmerhalt. VTI meddelande 527. Statens väg och trafikinstitut, Linköping.
Höbeda P. (1995). FAS Asfaltsbok. Kapitel: Stenmaterial. Utgiven av Föreningen för
Asfaltsbeläggningar i Sverige. 85–110.
Höbeda, P. och Bünsow, L. (1974). Inverkan av glimmer på packnings- och bärighetsegenskaperna hos berggrus. VTI rapport 55. Statens väg och trafikinstitut, Stockholm.
1–29.
Johansson, E. (2011). Technological properties of rock aggregates. Doktoral Thesis,
Luleå University of Technology. www.ltu.se
Johansson, E. Miskovsky, K. & Arvidsson, H. (2011). Expertsystem för bedömning av
bergmaterialens mekaniska egenskaper. VTI rapport 715. VTI (Statens väg- och
transportforskningsinstitut), Linköping.
Johansson, E., Miskovsky, K., Loorents, K-J. & Löfgren, O. (2008). A method for
estimation of free mica particles in aggregate fine fraction by image analysis of grain
mounts. Jounal of Materials Engineering and Performance, 17(2), 250–253.
Kowallis, B.J. & Wang, H.F. Microcrack study of granite cores from Illinois deep
borehole UPH-3. Jounal of Geophysical Research 88. 7373–7380.
Loorents, K-J. (2006). Bergmaterial i väglinjen. VTI notat 31-2006. VTI (Statens vägoch transportforskningsinstitut), Linköping.1–49.
Loorents, K-J., Johansson, E. & Arvidsson, H. (2007). Free mica grains in crushed rock
aggregates Bulletin of Engineering Geology and the Environment 66 (4). 441–447.
Mazurek, M., Bossart, P. and Eliasson, T. (1996). Classification and characterization of
water-conducting features at Äspö: Results of investigations on the outcrop scale. SKB
International Cooperation Report ICR 97-01, Swedish Nuclear Fuel and Waste
Management Co, Stockholm, Sweden.
Miskovsky, K. (2004). Enrichment of fine mica originating from rock aggregate
production and its influence on mechanical properties of bitumenous mixtures. Journal
of materials Engineering and performance, 13(5).
VTI rapport 714
23
Novikov, E., Arvidsson, H. & Loorents K-J. (2008) The behaviour of mica rich base
course aggregates under freezing-thawing condition. In: Lic thesis by Novikov. 2008:25
Luleå university of technology.
Persson, L. & Göransson, M. (2005).Mechanical quality of bedrock with increasing
ductile deformation. Engineering Geology 81. 42–53.
SS-EN 932-3 Ballast – Generella egenskaper – Del 3 Petrografisk beskrivning,
förenklad metod.
Said, S., Loorents, K-J. & Hakim, H. (2009). Impact of mica content on water
sensitivity of asphalt concrete. International Journal of Pavement Engineering. Vol. 10,
No. 1, 1–8.
Streckeisen (1976). To each plutonic rock its propper name. Earth Science reviews . Vol
12. 1–33.
Passchier, C. W. & Trouw, R. A. J. 2005. Microtectonics. 2nd edition. Springer. pp 366.
Vägverkets metodbeskrivning 612 Provtagning och provberedning för bestämning av
bergtyp.
Åkesson, U., Stigh, J., Lindqvist, J.E. & Göransson, M., 2003. The influence of
foliation on the fragility of granitic rocks, image analysis and quantitative microscopy.
Engineering Geology 68: 275–288.
Åkesson, Hansson & Stigh. 2004. Charactairisation of microcracks in Bohusgranite
western Sweden caused by unaxial laoding. Engineering Geology 72. 131–141.
Åkesson, U. (2004). Microstructure in granites and marbles in relation to their durability
as construction material. PhD thesis. Earth Sciences centre Göteborg University A95,
2004.
24
VTI rapport 714
Bilaga 1
Sidan 1 (3)
Tunnslipsundersökning av bergmaterial
Förslag på presentation av resultat
Provmärkning
Bergartsbeskrivning
Mineral vol%
Punkträkning
Sekundära omvandlingar, t.ex. klorit,
sericit lermineral
VTI rapport 714
Prov x, stuff från stenbrott
Det analyserade provet är en röd homogen medelkornig granit. Bilden
motsvarar den bit som används för tillverkning av tunnslip (38x28 mm).
Mineral antal volym % Kvarts Kalifältspat Plagioklas Biotit Klorit Epidot/Zoisit Opaka mineral 197 186 219 15 5 3 2 31,4 29,7 34,9 2,4 0,8 0,5 0,3 Totalt 627 100,0 Delvis kloritiserad biotit. Plagioklasen är bara lite seritiserad
Bilaga 1
Sidan 2 (3)
Kornstorlek och
kornstorleksfördelning
Mikrostruktur
Medelkornstorlek 2,2 mm
Max 6,9 mm
Min 0,4 mm
Provet består av i huvudsak anhedrala korn och bildar relativt
jämnkornig mikrostruktur. Fältspater utgör oftast de större kristallerna.
Kornfog
Kornfogarna klassas som 2 (se figur 4 och bilaga 2)
Foliation
Foliation grad 1 (FIX = 1,07) Inga kontinuerliga foliationsplan orsakade
av glimmer påträffade.
Mikrosprickor
Korngränssprickor: 0,56 st./ mm
Intragranulära: 0,53 st./ mm (spaltplan i fältspat)
Transgranulära: 0,06 st./mm
VTI rapport 714
Bilaga 1
Sidan 3 (3)
Fluorscensmikroskopbild som visar exempel på mikrosprickor i provet.
Den stora sprickan vänster om mitten är transgranulär.
VTI rapport 714
VTI rapport 714
Bilaga 2
Sidan 1 (4)
Kornfog
Exempel på granitiska bergarter med olika graden av sammanväxning av kristallerna
enligt en femgradig skala enligt figur 4. 1.
1
Bergart: Granit (syenogranit), fint-medelkornig, omkristalliserad, provtagningsplats
okänd.
VTI rapport 714
Bilaga 2
Sidan 2 (4)
2
Bergart: Gråröd, fint medelkornig, gnejsig och tunt och plant ådrad granit. Tykås
berget, 21 km VSV Jönköping. (LA=43,3 Kk=17,7 MDE=11,2)
VTI rapport 714
Bilaga 2
Sidan 3 (4)
3
Bergart: Grå till ljusröd, fin till medelkornig granit. Skärlunda bergtäkt SV Norrköping
(LA=21 Kk=? MDE=5 )
VTI rapport 714
Bilaga 2
Sidan 4 (4)
4
Bergart: Röd till gråröd, finkornig till fint medelkornig, massformig granit. Bergarten
är sekundärt oxiderad vilket ger en rödfärgning längs korngränser och mikrosprickor
av extremt finkorniga Fe-oxihydroxider (”rost”). Uddebo 15 km Ö Jönköping.
(LA=17,1 Kk=7,6 MDE=5,0)
5
Ingen relevant bergart hittade
VTI rapport 714
Bilaga 3
Sidan 1 (7)
Folationsindex (FIX)
Exempel på bergarter med olika grad av mineralorientering som motsvarar grad 1-5.
Bildytan motsvarar 8,5x6,3 mm för samtliga bilder.
Klass 2: Fix 1,1‐1,3 Fix 1,21 VTI rapport 714
Bilaga 3
Sidan 2 (7)
Klass 3: Fix 1,3‐1,5 Fix 1,37 VTI rapport 714
Bilaga 3
Sidan 3 (7)
Fix 1,42 VTI rapport 714
Bilaga 3
Sidan 4 (7)
Fix 1,47 VTI rapport 714
Bilaga 3
Sidan 5 (7)
Klass 4: Fix 1,5‐1,8 Fix 1,72 VTI rapport 714
Bilaga 3
Sidan 6 (7)
Fix 1,78 VTI rapport 714
Bilaga 3
Sidan 7 (7)
Klass 5 Fix > 1,8 Fix 2,03 VTI rapport 714
www.vti.se
[email protected]
VTI är ett oberoende och internationellt framstående forskningsinstitut som arbetar med
forskning och utveckling inom transportsektorn. Vi arbetar med samtliga trafikslag och
kärnkompetensen finns inom områdena säkerhet, ekonomi, miljö, trafik- och transportanalys,
beteende och samspel mellan människa-fordon-transportsystem samt inom vägkonstruktion,
drift och underhåll. VTI är världsledande inom ett flertal områden, till exempel simulatorteknik.
VTI har tjänster som sträcker sig från förstudier, oberoende kvalificerade utredningar och
expertutlåtanden till projektledning samt forskning och utveckling. Vår tekniska utrustning består
bland annat av körsimulatorer för väg- och järnvägstrafik, väglaboratorium, däckprovningsanläggning, krockbanor och mycket mer. Vi kan även erbjuda ett brett utbud av kurser och
seminarier inom transportområdet.
VTI is an independent, internationally outstanding research institute which is engaged on
research and development in the transport sector. Our work covers all modes, and our core
competence is in the fields of safety, economy, environment, traffic and transport analysis,
behaviour and the man-vehicle-transport system interaction, and in road design, operation
and maintenance. VTI is a world leader in several areas, for instance in simulator technology.
VTI provides services ranging from preliminary studies, highlevel independent investigations
and expert statements to project management, research and development. Our technical
equipment includes driving simulators for road and rail traffic, a road laboratory, a tyre testing
facility, crash tracks and a lot more. We can also offer a broad selection of courses and seminars
in the field of transport.
HUVUDKONTOR/HEAD OFFICE
LINKÖPING
POST/MAIL SE-581 95 LINKÖPING
TEL +46(0)13 20 40 00
www.vti.se
BORLÄNGE
POST/MAIL BOX 920
SE-781 29 BORLÄNGE
TEL +46 (0)243 446 860
STOCKHOLM
POST/MAIL BOX 55685
SE-102 15 STOCKHOLM
TEL +46 (0)8 555 770 20
GÖTEBORG
POST/MAIL BOX 8072
SE-402 78 GÖTEBORG
TEL +46 (0)31 750 26 00