Erkundung des Potenzials spätpermischer Gesamtressourcen für die Nutzung in Ingenieurbauwerken durch geotechnische, geochemische und petrografische Analysen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 5088 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Der China-Pakistan Economic Corridor (CPEC) ist ein laufendes Mega-Bauprojekt in Pakistan, das die weitere Erkundung neuer natürlicher Zuschlagstoffressourcen erfordert, um den umfangreichen Bau zu ermöglichen. Daher wurde geplant, die spätpermischen Schichten von Chhidru- und Wargal-Kalkstein als Zuschlagstoffressourcen durch detaillierte geotechnische, geochemische und petrografische Analysen auf ihre optimale Art und Weise der Baunutzung zu bewerten. Die geotechnische Analyse wurde nach BS- und ASTM-Standards mithilfe verschiedener Labortests durchgeführt. Mithilfe einer einfachen Regressionsanalyse wurden gegenseitige Korrelationen zwischen physikalischen Parametern ermittelt. Basierend auf der petrographischen Analyse wird der Wargal-Kalkstein in Tonsteine und Wackestone eingeteilt, und die Chhidru-Formation wird in Wackestone- und Floatstone-Mikrofazies kategorisiert, die beide Hauptbestandteile von Calcit und Bioklasten enthalten. Die geochemische Analyse ergab, dass der Wargal-Kalkstein und die Chhidru-Formation Kalziumoxid (CaO) als dominierenden Mineralgehalt aufweisen. Diese Analysen zeigten auch, dass die Wargal-Kalksteinaggregate nicht anfällig für Alkali-Aggregat-Reaktionen (AAR) sind, wohingegen die Chhidru-Formation tendenziell anfällig für AAR und schädlich ist. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das Bestimmtheitsmaß und die Festigkeitseigenschaften, beispielsweise die uneingeschränkte Druckfestigkeit und der Punktlasttest, in umgekehrtem Zusammenhang mit der Bioklastenkonzentration und direkt mit dem Calcitgehalt stehen. Basierend auf den geotechnischen, petrographischen und geochemischen Analysen erwies sich der Wargal-Kalkstein als bedeutende potenzielle Quelle sowohl für kleine als auch große Bauprojekte wie CPEC, die Zuschlagstoffe der Chhidru-Formation sollten jedoch aufgrund ihres hohen Kieselsäuregehalts mit besonderer Vorsicht verwendet werden Inhalt.

Aufgrund der hohen Nachfrage nach Beton sind erhebliche Mengen natürlicher Ressourcen erforderlich1, und modernes Bauwesen erfordert Beton als Grundelement, eine Mischung aus feinen bis groben Zuschlagstoffen, Wasser und Zement, die vor dem Einbau zu einer festen Form geformt werden kann und feste Masse2. Bei vielen Tiefbauprojekten werden Zuschlagstoffe zur Bewehrung, zur Verringerung des Schwunds und zur Erzielung wirtschaftlicher Vorteile eingesetzt3. Laut Kim4 machen Zuschlagstoffe im Beton 75 bis 85 % der Mischung aus, während Asphaltmischungen 93 bis 95 % ausmachen und Schienenschotter und Straßenunterbau fast 100 % der Mischung ausmachen. Daher ist es unerlässlich, die chemischen, physikalischen, mechanischen und mineralogischen Eigenschaften der Zuschlagstoffe aufgrund ihrer Auswirkungen auf die Festigkeit und Haltbarkeit des Betons5,6 zu untersuchen, abgesehen von der umfangreichen Verwendung im Bauwesen. Als geotechnisches Material und Gesteinskörnung spielt Kalkstein aufgrund seiner physikalischen und mechanischen Eigenschaften eine wichtige Rolle in der Bauindustrie7. Die physikalisch-mechanischen und Haltbarkeitseigenschaften der zerkleinerten Gesteinsaggregate werden stark von den petrografischen Merkmalen nachfolgender Prozesse und Quellgesteinen beeinflusst, wie z. B. Verwerfungen, Verwitterung, Faltung und hydrothermale Aktivität8. Diese physikalisch-mechanischen und petrographischen Eigenschaften können durch den Mineralgehalt, die Härte, die chemische Stabilität, die Porosität und die Zusammensetzung beeinflusst werden. Es ist wichtig, die Petrographie von Aggregaten zu analysieren, um deren Textur, Mineralogie, Bioklasten, Matrixtyp, Mikrofrakturen und Texturtyp zu identifizieren9. Einige Wissenschaftler haben die technischen Eigenschaften von Gesteinskörnungen auf der Grundlage ihrer petrographischen und physikalischen Eigenschaften untersucht und Vorhersagen darüber getroffen6,10.

In den Bereichen Geotechnik und Felsingenieurwesen werden verschiedene Gesteinsklassifizierungssysteme verwendet, die hauptsächlich auf mechanischen Parametern wie einachsiger Druckfestigkeit, Elastizitätsmodul, Zugfestigkeit, Poisson-Zahl und Punktlasttests basieren. Dennoch ist es die mineralische Zusammensetzung eines Gesteins, die darüber entscheidet, ob es für die Verwendung als Baumaterial geeignet ist oder nicht1. Der Einfluss physikalisch-mechanischer Eigenschaften auf die Qualität der Zuschlagstoffe ist von größter Bedeutung. Neben den betonbezogenen Merkmalen müssen auch die Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR), die Haltbarkeit und die Festigkeit berücksichtigt werden11. Die Festigkeit, Leistung und Haltbarkeit von Beton können beeinträchtigt werden, wenn keine angemessenen Maßnahmen zur Verhinderung von AAR12 ergriffen werden. In Gegenwart bestimmter reaktiver Mineralien, wie gespanntem SiO2 und CaMg(CO3)2, reagieren Alkalien unter Bildung der Alaklai-Kieselsäure-Reaktion (ASR) bzw. der Alakali-Carbonat-Reaktion (ACR)8,13. Nach jahrelanger Forschung wurde später gezeigt, dass bestimmte Aggregate nicht nur reaktiv sind, sondern auch starke Bindungen an den Randebenen sowohl des Aggregats als auch der Mischung erzeugen. Daher können mithilfe petrographischer und chemischer Analysen in Strukturbeton reaktive und nicht reaktive Mineralien nachgewiesen, Reaktionsränder, Silikatgele, mikro-/makro-/makrostrukturelle Eigenschaften und die Karbonisierung beurteilt werden13.

Zu den wichtigsten Zuschlagstoffquellen in Pakistan gehören Kalksteine aus den Margala-Hügeln, Zuschlagstoffe aus den Kirana-Hügeln, den Hügeln des Distrikts Khyber und Karbonate aus Wargal, Sakasar und Kohat12,14. Im Hinblick auf die geotechnische Nutzung und die Kohlenwasserstoffexploration sind vor allem paläozäne und eozäne Sedimentabfolgen Pakistans von größter Bedeutung15,16. Die National Highway Authority (NHA) nutzte diese Zuschlagstoffe zum Bau von Straßen im Rahmen des Großprojekts China-Pakistan Economic Corridor (CPEC). Das CPEC-Projekt verband über 70 Länder über den pakistanischen Hafen Gwadar17. Das CPEC umfasst mehrere kurz- und langfristige Projekte wie den Bau von Straßen, Eisenbahnen und Glasfaser. Allerdings steigt die Nachfrage nach Baumaterialien aufgrund des raschen Bevölkerungswachstums des Landes und der Entwicklung von Klein- und Megaprojekten stark an , die aktuellen Gesamtressourcen werden knapp. Daher sind viele explorative Forschungsstudien für Perspektiven, wie z. B. Zuschlagstoffe für die Entwicklung von Bauressourcen, erforderlich, um den zukünftigen Anforderungen der Bautätigkeiten deutlich gerecht zu werden11. Forscher in Pakistan haben mehrere Studien zu Zuschlagstoffen und Kalksteinen durchgeführt, um deren mechanische Eigenschaften zu untersuchen, technische und Zuschlagstoffbewertungen vorzunehmen und deren Verwendung im Bauwesen vorzuschlagen. (z. B. Naeem et al.5; Naseem et al.18; Majeed und Abu Bakar19; Mustafa et al.20; Akram et al.20; Rehman et al.21; Ullah et al.22, Kamran et al.23; Zada et al.16. Physikochemische, geochemische und petrographische Analysen spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Eignung von Zuschlagstoffen für den Bau. Unter Berücksichtigung der Bedeutung der Region werden diese Analysen in der vorliegenden Forschung verwendet, um den Wargal-Kalkstein und die Chhidru-Formation zu untersuchen die Zaluch Group, Western Salt Range (Abb. 1), eingehend und umfassend zu untersuchen, um die Machbarkeit dieser Gesamtressourcen für CPEC und Pakistans aktuelle groß angelegte technische Entwicklungsprojekte zu bewerten. Darüber hinaus würden die Ergebnisse dieser Forschung Empfehlungen bieten und Anweisungen zum Verständnis des mechanischen Verhaltens von Gesteinseinheiten und ihres anschließenden Aushubs und ihrer Verwendung in lokalen Geotechnik- und Bausektoren.

Lageplan des Untersuchungsgebiets, Salt Range, Pakistan.

Das Potwar-Becken und die Salt Range entstanden durch die Verschiebung der Indischen Platte nach Norden und deren spätere Kollision mit der Eurasischen Platte16. Im nördlich-zentralen Teil der Indischen Platte ist die Salt Range ein aktiver Falten- und Überschiebungsgürtel, der durch die Kollision der Indischen Platte mit der Eurasischen Platte entstanden ist24,25. Die Salt Range erfährt kontinuierlich Verformungen vom Kompressions-, Transformations- und Dehntyp15,24,26. Die Gebirgsfront ist durch die Überlagerung von präkambrischen Evaporiten und darüber liegenden Schichten auf synorogenem Alluvium und Fächermaterial gekennzeichnet27. Die ältesten Gesteine im westlichen Salt Range stammen aus dem Karbon und Perm in der Nilawahan-Gruppe, während die präkambrische Salt Range-Formation auf jüngeren Schichten im östlichen Salt Range28,29 abgelagert wurde, wie in Abb. 2 dargestellt. Gesteine im Salz Das Verbreitungsgebiet wurde auf verschiedene Zeiträume datiert, vom Präkambrium bis zum Tertiär29,30. Die mittel- bis oberpermische Tethyan-Zaluch-Gruppe und die unterpermische Nilawahan-Gruppe der Gondwanan-Region werden durch die Karbon-Perm-Sequenz der Salt Range Pakistan5,31,32 getrennt.

Geologische und stratigraphische Lage des Untersuchungsgebiets, Salt Range, Pakistan.

Im Potwar-Becken bestehen permische Gesteine hauptsächlich aus siliziklastischen Gesteinen der Nilawahan-Gruppe und karbonatreichen Gesteinen der Zaluch-Gruppe. Im westlichen Salt-Gebirge bilden die marinen siliziklastisch-karbonatischen Mischlithologien die oberpermische Zaluch-Gruppe33 und bestehen aus siliziklastischen Karbonat-Mischlithofazien der Amb-Formation, Karbonaten des Wargal-Kalksteins und klastisch-karbonatischen Mischlithologien der Chhidru-Formation34, wie in Abb . 2.

Der Wargal-Kalkstein zeigt graue bzw. gelbgraue Farben frischer bzw. verwitterter Oberflächen. Der Wargal-Kalkstein ist fein bis mittelkörnig und zeichnet sich durch eine körnige Mosaikstruktur mit Brüchen aus. Er ist mittel- bis dick geschichtet. Er liegt entlang der Zaluch Nala- und Nammal-Schlucht der Western Salt Range frei und umfasst eine komplexe Lithologie mit einer Mächtigkeit von 130 mm m35,36; Abb. 2). Im Wargal-Kalkstein ist der Kontakt mit der darunter liegenden Amb-Formation gut definiert und findet am basalen sandigen Kalkstein der Formation über der obersten Schieferschicht statt36. Zu den gemeldeten Fossilien in der Formation gehören Schnecken, Muscheln und Trilobiten, und den Fossilien zufolge herrscht die Formation in der gesamten Mitte des Perm vor36.

Die verwitterten und frischen Farben des Kalksteins der Chhidru-Formation sind grau bzw. cremegrau. Der Kalkstein ist fein bis mittelkörnig mit einer körnigen Mosaiktextur mit Brüchen und mittel- bis dick geschichtet. Die Chhidru-Formation ist auf eine Weise mit dem Wargal-Kalkstein verbunden, die sowohl anpassungsfähig als auch graduell ist. Chhidru Nala liegt in der Western Salt Range und wird als Typlokalität ausgewiesen. Unter den in diesem Gebiet vorkommenden Lithologien dominiert dunkelgrauer, sandiger Schiefer am Fuße des Gebirges, gefolgt von kalkhaltigem Sandstein und sandigem Kalkstein darüber. An der Spitze der Chhidru-Formation liegt eine weiße Sandsteinschicht, die einen prägenden Aspekt der Formation darstellt. Innerhalb der Salt Range misst die dickste Stelle der Gesteinseinheit 85 m. In der Chhidru-Formation wurden mehrere Arten von Fossilien gemeldet, darunter Brachiopoden, Gastropoden, Pelecypoden, Ammonoide, Bryozoen und Fusuliniden. Basierend auf der Fauna und Stratigraphie ist das Alter der Chhidru-Formation das späte Perm.36

Eine detaillierte geologische Feld- und Laboruntersuchung wurde an Aufschlussabschnitten des Wargal-Kalksteins und der Chhidru-Formation in der westlichen Salt Range-Region durchgeführt, einschließlich geotechnischer und petrographischer Analysen. Ziel dieser Studien war es, Gesteinseinheiten aus dem späten Perm zu untersuchen und ihr Aggregatpotenzial für Bauanwendungen zu bewerten. Die eingesetzten geotechnischen und geochemischen Tests wurden für Zuschlagstoffe (grob) an der China University of Geosciences, Wuhan, China, durchgeführt. Viele Kerne mit einem Durchmesser von 35 mm und einer Länge von 80 mm aus 20 Blockproben (Volumen etwa 0,10 Kubikfuß) wurden aus den Kalksteinproben gebohrt, die in den Aufschlüssen gesammelt wurden, um die physiomechanischen Eigenschaften der Formationen zu ermitteln. Um die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Kalkstein zu analysieren, wurden Proben zerkleinerten Kalksteins durch systematisches Schneiden in kubische Formen gebracht. Die Laborarbeit umfasste mehrere Tests, die auf der Grundlage der von der American Association of State Highway and Transportation Officials festgelegten Standards durchgeführt wurden, und umfasste Punktlasttests (PLTs), universelle Drucktests, Wasserabsorptionstests, Aggregatporosität, Tests des spezifischen Gewichts37 und Los-Angeles-Abrieb Werttests (LAA)38 sowie Flockenheits- und Dehnungstests nach Standardspezifikationen (ASTM39) zusammen mit der Petrographie. PLT-Tests wurden gemäß den Empfehlungen der International Society of Rock Mechanics (ISRM39) durchgeführt und Kernproben wurden aus Massenproben mit einer Kernbohrmaschine für uneingeschränkte Druckfestigkeitstests entnommen. Für die Petrographie wurden aus gesammelten Gesteinsproben Dünnschnitte hergestellt und etwa 20 Dünnschnitte mit einer Dicke von etwa 0,03 mm angefertigt und unter dem Polarisationsmikroskop untersucht. Die konventionelle Petrographie wurde mit der Methode und dem Diagramm von Scholle und Ulmer-Scholle40 und Hussain et al.15 durchgeführt, und die Kornzähltechnik wurde zur Schätzung des Mineralgehalts verwendet.

Um die für Bauprojekte empfohlene Zuschlagstoffanwendung des Wargal-Kalksteins und der Chhidru-Formation zu belegen, müssen zahlreiche Grob- und Feinzuschlagstofftests gemäß Standards (ASTM C-3339) durchgeführt werden. Daher wurden einige wichtige Tests an den groben Zuschlagstoffen durchgeführt, um den Hauptzweck der Forschung zu erreichen.

Mit diesem Test soll ermittelt werden, wie gut Stahlkugeln der Reibung an Aggregaten standhalten41. Ein Aggregat mit einem niedrigeren Los-Angeles-Abriebwert gilt als stärker als eines mit einem höheren Wert und umgekehrt3. Der Los-Angeles-Abriebwert wurde mithilfe des 38-Tests unter Verwendung von Gleichung berechnet. (1).

Eines der entscheidenden Merkmale, das die Qualität der Gesteinskörnung beeinflusst, ist die Verwitterung. Für den Bau werden Zuschlagstoffe empfohlen, deren Porenvolumen sich nach dem Einweichen, Einfrieren, Trocknen und Auftauen kaum verändert. Wenn an einer Probe Festigkeitstests durchgeführt werden, zeigen die instabilen Aggregate nachteilige Eigenschaften wie Kartenrisse, D-Linien und Herausspringen5,42. Die Aggregate wurden während des Tests mehrmals getrocknet, nachdem sie in Na2SO4- oder MgSO4-Lösungen getaucht wurden. Die Festigkeit der Aggregate wurde gemäß dem Testprotokoll (ASTM C88-13)43 unter Verwendung der Gleichung (1) beurteilt. (2).

Das Gewicht eines gleichen Wasservolumens und eines Aggregats im Verhältnis zueinander wird als deren spezifisches Gewicht ausgedrückt. Die Menge an Wasser, die ein Stein aufnehmen kann, wird durch seine Fähigkeit, Wasser zu speichern, bestimmt. Der Beton verschlechtert sich, da der Wasseraufnahmewert aufgrund seiner Ausdehnung zunimmt. Wenn weniger Wasser absorbiert wird, bricht das Gestein nicht zusammen und verwittert nicht. Gemäß (ASTM C-127)44 wurden die spezifischen Aggregatgewichte und die Wasserabsorption unter Verwendung der Gleichungen berechnet. (3) und (4).

Die Beständigkeit eines Gesteins wird durch seine Aggregatporosität beeinflusst. Die Hauptfaktoren, die die Porosität der Gesteinsaggregate beeinflussen, sind: die Form, Größe und Anordnung von Mineralien44. Darüber hinaus haben geochemische und mechanische Prozesse Einfluss auf die Aggregatporosität. Gleichung (5) wurde zur Berechnung der Porosität des Aggregats verwendet.

Zuschlagstoffe mit einem höheren Stückgewicht sind kompakter, was zu einem geringeren Hohlraumverhältnis und einer höheren Festigkeit führt45. Das Stückgewicht und die Schüttdichte werden hauptsächlich durch Form, Abstufung, Oberflächenrauheit, spezifisches Gewicht und Winkligkeit beeinflusst. Dieser Test wurde nach (ASTM C-29)43 unter Verwendung der Gleichungen bewertet. (6–8), um die Schüttdichte der Aggregate zu ermitteln.

Der relative Widerstand eines Aggregats gegenüber einem plötzlichen Stoß wird durch den Gesamtstoßwert44 dargestellt. Die Zuschlagstoffe sollten langlebig genug sein, um Stößen standzuhalten, ohne zu zerbröckeln. Gesteine, die gegen Granulierung oder Zerfall resistent sind, haben einen niedrigeren Aggregatschlagwert45. Der Gesamtauswirkungswert wurde gemäß der Norm (BS-812)45 unter Verwendung von Gleichung bewertet. (10).

Der Zerkleinerungswert der Gesteinskörnung gibt an, wie widerstandsfähig die Zerkleinerung der Gesteinskörnung gegenüber einer allmählich aufgebrachten Druckbelastung ist. Es sollten geringere Zerkleinerungswerte der Zuschlagstoffe erreicht werden, um eine bessere Qualität der Fahrbahn zu erreichen, und die Zuschlagstoffe sollten in der Lage sein, die Zerkleinerung unter Last zu überstehen. Der Schlagwert wurde gemäß der Norm (BS-812)46 unter Verwendung von Gleichung berechnet. (10)

Beim Bau von Bitumen- und Zementbeton und Tragschichten führen flockige und längliche Partikel bei großen Belastungen zu einer inhärenten Brüchigkeit. Um die Partikelform im Hinblick auf Schuppenbildung und Dehnung zu bewerten, wurde ein Formtest gemäß (BS 812)47,48 und den Gleichungen durchgeführt. (11) und (12) wurden für ihre Quantifizierung verwendet.

Die Festigkeit oder Fähigkeit, der von einem Gestein ausgeübten Belastung standzuhalten, wird in Labors häufig gemessen, um ein Gestein mit der gewünschten Festigkeit auszuwählen49. Der UCS wurde gemäß (ASTM D-7012)50 berechnet. Die Testwerte wurden unter Verwendung von Gl. ermittelt. (13)

Dabei ist P die Last und A die Querschnittsfläche des Kerns.

Die Prüfung der Punktlastfestigkeit soll als Index für die Bestimmung der Festigkeit von Gesteinen auf der Grundlage ihrer Zusammensetzung und Eigenschaften dienen51. Es können verschiedene Arten von Gesteinsproben verwendet werden, darunter Kerne, Blöcke und unregelmäßige Klumpen, ohne dass Proben für diesen Test vorbereitet werden müssen. PLTs wurden gemäß den Empfehlungen der International Society of Rock Mechanics (ISRM52) durchgeführt.

Die großen Gesteinsproben wurden im Labor zum Zerkleinern und Pulverisieren für die geochemischen Untersuchungen verwendet. Mit der Wolframcarbid-Kugelmühle wurden zwanzig Proben (drei von jeder Großprobe) auf eine Feinheit von mehr als 0,075 mm (Sieb Nr. 200) gemahlen und das resultierende Pulver dann in Polyethylenbeuteln versiegelt, um eine Kreuzkontamination zu verhindern. Die Konzentrationen der Hauptoxide im Inneren der Materialien wurden mit dem Atomabsorptionsspektrometer (AAS) 3300, Analyst 700 mit Graphitofen und Quecksilberhydridsystem (MHS) sowie mit UV/VIS-Spektrophotometer (SP-400 UV/VIS) von Perkin Elmer bestimmt , wie von Candra50 beschrieben.

Beton mit Zuschlagstoffen, die reaktive Elemente enthalten, kann bei Einwirkung von Alkalihydroxiden reagieren. Die Reaktivität kann nur dann sehr gefährlich sein, wenn sie zu einer massiven Expansion führt53. Aufgrund der Verbreitung reaktiver Siliciumdioxidmineralien in Aggregaten ist ASR zu einem wichtigeren Grund für die Berücksichtigung geworden als ACR. Aggregate aus alkalireaktivem Carbonat haben eine einzigartige Zusammensetzung, die nicht häufig vorkommt.

Die Reaktivität von Alkali-Kieselsäure in Beton gilt seit den späten 1930er Jahren als potenzielle Ursache für Betonschäden51. Karbonataggregate sind anfällig für ACR, einschließlich Kalkstein (insbesondere Dolomit) und Dolomitstein (Kalzit). Übermäßiges Aggregatwachstum, Rissbildung und De-Dolomitisierung bestimmen die ACR-Reaktion54. Für die ACR-Reaktion54 ist der zugrunde liegende Prozess Gl. (14) verwendet wird.

Mit diesem Verfahren kann durch Messung seiner alkalischen Reaktivität schnell festgestellt werden, ob ein bestimmtes Karbonatgestein (Kalkstein, Dolomitstein oder kalkhaltiger Ton-Dolomitstein) für die Verwendung als Betonzuschlagstoff geeignet ist. Eine mögliche ACR könnte sich nachteilig auf die Haltbarkeit des Betons auswirken, wenn die Ausdehnungsrate einer Probe mehr als 0,10 % beträgt55.

Die petrographische Analyse wird durch die Untersuchung dünner Abschnitte unter einem Polarisationslichtmikroskop (Modell Olympus BX51) durchgeführt, um die Ablagerung und chemische Zusammensetzung des Gesteins/Aggregats sowie seine Mineralogie zu bestimmen. Zur Identifizierung der reaktiven Komponenten in Aggregaten werden häufig petrographische Untersuchungen eingesetzt39. Die Mikrofaziesanalyse wurde zur Klassifizierung des Kalksteins der Gesteinseinheiten verwendet und die Kategorisierung der Mikrofazies folgt dem für Kalkstein etablierten Schema von (Dunham-1962)55.

Der Mineralstoffgehalt wurde mithilfe einer Modellanalysestrategie berechnet. Die mineralogische Zusammensetzung der Proben wurde berücksichtigt, da sie einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der Zuschlagstoffe hat56. Gleichung (15) wurde verwendet, um die prozentuale Mineralzusammensetzung zu bestimmen.

In dieser Gleichung ist \({C}_{m}\) die Mineralzusammensetzung in Prozent (%) und \({T}_{tm}\) ist die Gesamtzahl der Zählungen für das gesamte Mineral.

Unter Verwendung des von ASTM empfohlenen Ansatzes und der folgenden Berechnung wurde die Aggregatporosität unter Verwendung von Gleichung berechnet. (16).

wobei P die Gesamtporosität ist; Wssd ist das Trockengewicht der gesättigten Oberfläche; Wod ist das Ofentrockengewicht und W ist das Gewicht in Wasser.

An den Proben der in der Western Salt Range freigelegten Wargal- und Chhidru-Formationen wurden mehrere integrierte Analysen durchgeführt, um die Rolle von Gesteinseinheiten bei der Nutzung als geotechnische Ressource und insbesondere in Ingenieurbauwerken aufzuklären. Es gibt mehrere Faktoren, die die physikalischen Eigenschaften von Gesteinen beeinflussen, darunter die Zusammensetzung der Modalmineralien, der Zement, die Korngröße und der Kontakt zwischen den Körnern52. Ebenso haben die physikalischen und petrografischen Eigenschaften von Sedimentgesteinen einen erheblichen Einfluss auf ihre mechanischen Eigenschaften9,52,57. Einige durchgeführte geotechnische Analysen werden korreliert, um die physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Gesteinseinheiten zu verstehen. Die Werte des Los-Angeles-Abriebs für den Wargal-Kalkstein und die Chhidru-Formation betragen 18,28 bzw. 17,49 % (Abb. 3, 4). Diese Werte liegen unter 40 % und liegen damit innerhalb der zulässigen Grenzen. Die aufgezeichneten Festigkeitswerte für Wargal-Kalkstein und Chhidru-Formation liegen weiterhin bei 2,44 bzw. 2,35 % (Abb. 3, 4). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Gesteine beider Formationen ausreichend beständig gegen Gefrier- und Taueffekte sind, wobei die Machbarkeitsgrenze bei 16 % liegt.

Geotechnische Analyse von Wargal-Kalkstein aus dem späten Perm, Western Salt Range.

Geotechnische Analyse der spätpermischen Chhidru-Formation, Western Salt Range.

Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem spezifischen Gewicht und der Festigkeit des Aggregats58 und die Wasseraufnahme ist ein direkter Indikator für die Durchlässigkeit59. Gesteine mit einem spezifischen Gewicht von mindestens 2,55 gelten für große Bauarbeiten als akzeptabel22,58. Darüber hinaus beträgt die Mindestanforderung für Zementbeton 2,60 (Naeem et al.5). Die Werte für das spezifische Gewicht und die Wasseraufnahme des Wargal-Kalksteins und der Chhidru-Formation liegen weiterhin bei 0,43 und 0,45 % bzw. 2,63 und 2,59 (Abb. 3, 4). Gemäß den ASTM-Standards liegt die Absorptionsfähigkeit dieser Gesteine im zulässigen Bereich, nämlich 2 %. In dieser Untersuchung betragen die Gesamtporositätswerte des Wargal-Kalksteins und der Chhidru-Formation 1,74 % bzw. 1,91 % (Abb. 3, 4). Laut Zada et al.16 weisen Kalksteinproben aus beiden Formationen eine geringe Porosität auf, haben jedoch negative Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften (UCS) eines Gesteins. Das Einheitsgewicht des in Beton verwendeten Zuschlagstoffs schwankt tendenziell zwischen 1,20 und 1,75 g/cm3, und das Einheitsgewicht der analysierten Proben des Wargal-Kalksteins und der Chhidru-Formation liegt im Wesentlichen innerhalb der akzeptablen Grenzen von 1,74 bzw. 1,79 g/cm3, was möglich ist als technische Komponenten genutzt werden (Abb. 3, 4).

Die analysierten Impaktwerte und der Gesamtzerkleinerungsgrad des Wargal-Kalksteins und der Chhidru-Formation liegen weiterhin bei 13,26 bzw. 12,26 %, 13,84 bzw. 10,78 % (Abb. 3, 4). Darüber hinaus liegen die Gesteinskörnungswirkungswerte, insbesondere 30 %, im akzeptablen Bereich und die Gesteinskörnungszerkleinerungswerte, genau 30 %, liegen erheblich unter den zulässigen Grenzwerten für die Verwendung als technischer Werkstoff.

Die Partikelform beeinflusst die technischen Eigenschaften von Zuschlagstoffen im Bauwesen, indem sie die Materialplatzierung und -verfestigung beeinflusst58,59. Die Proben des Wargal-Kalksteins und der Chhidru-Formation weisen Indexwerte von 16,09 % und 12,53 % (Flockigkeit) bzw. 11,86 % und 10,30 % (Dehnung) auf, und die Werte beider Formationen liegen innerhalb der zulässigen Grenze von 40 % (Abb. 3, 4).

Der Abriebwert spiegelt die Zähigkeit des Zuschlagstoffs unter natürlichen und beanspruchten Bedingungen wider60. Die Proben des Wargal-Kalksteins weisen höhere UCS-Werte auf, dh mehr als 95 MPa, daher können Proben dieser Formation als festes Gestein kategorisiert werden. Der in Kernproben aus Wargal-Kalkstein erhaltene Spitzenhärtewert beträgt weiterhin 99,2 MPa, der niedrigste lag bei 87,7 MPa, mit einem Durchschnittswert von 95,56 MPa (Abb. 3, 4). Ebenso haben die Proben der Chhidru-Formation auch höhere UCS-Werte, also mehr als 95 MPa, und sie können auch als starkes/hartes Gestein kategorisiert werden. Die höchsten und niedrigsten Härtewerte, die in Kernproben der Chhidru-Formation ermittelt wurden, betragen 97,2 bzw. 89,2 MPa, mit einem Mittelwert von 93,42 MPa (Abb. 3, 4). Der Punktlasttest wurde sowohl am Wargal-Kalkstein als auch an der Chhidru-Formation durchgeführt und die Ergebnisse wurden mit 8,7 MPa für Wargal-Kalkstein und 7,08 MPa für die Chhidru-Formation aufgezeichnet. Die UCS- und Point Laod-Werte beider Formationen liegen innerhalb der von ASTM und AASHTO vorgeschriebenen Standards. Die in dieser Forschung durchgeführte Regressionsanalyse untersucht die physikalisch-mechanischen Eigenschaften von Kalksteinproben aus dem Wargal-Kalkstein und der Chhidru-Formation. Die Analyse ergab, dass ein direkter und signifikanter Zusammenhang zwischen dem Los-Angeles-Abriebwert, der Wasseraufnahme und dem Aggregatschlagwert besteht. 5, 6. Darüber hinaus wurde eine ähnliche Korrelation zwischen Porosität und Aggregatschlagwert beobachtet. Diese Beziehungen stehen im Einklang mit etablierten Standards und früheren Forschungsergebnissen und verleihen den vorliegenden Ergebnissen Glaubwürdigkeit. Darüber hinaus wurde in der Studie eine umgekehrte Beziehung zwischen dem Flockigkeitsindex, dem Dehnungsindex und dem Gesamtschlagwert festgestellt. 5, 6. Dies deutet darauf hin, dass längliche Fragmente eine geringere Abriebfestigkeit aufweisen, und die Ergebnisse stimmen mit früheren Forschungsstudien überein. Insgesamt liefern die Ergebnisse dieser Studie wertvolle Einblicke in die physikalisch-mechanischen Eigenschaften von Kalkstein, die als Grundlage für Entscheidungen hinsichtlich seiner Verwendung im Bauwesen und anderen Anwendungen dienen könnten.

Regressionsanalyse zwischen physiomechanischen Eigenschaften von Wargal-Kalksteinaggregaten.

Regressionsanalyse zwischen physiomechanischen Eigenschaften von Aggregaten der Chhidru-Formation.

Gemäß Tabelle.1 können Kalksteinproben im Untersuchungsgebiet mit Kalksteinproben aus verschiedenen bekannten Kalksteinvorkommen in Pakistan verglichen werden. Physikalische und Festigkeitstests an Aggregaten aus dem Wargal-Kalkstein und der Chhidru-Formation ergaben Ergebnisse, die mit denen anderer Untersuchungen gleichwertig oder parallel waren5,21,23,42,61. Gesteinskörnungen mit hoher Festigkeit weisen tendenziell eine geringe Festigkeit, einen geringeren Abriebwert, einen geringeren Schlagwert, einen geringeren Brechwert und eine geringere Porosität auf, wohingegen Gesteinskörnungen mit geringerer Festigkeit eine höhere Festigkeit, einen höheren Los-Angeles-Abriebwert, einen höheren Zerkleinerungswert und eine höhere Gesteinsporosität aufweisen5,62,63,64. Unter den untersuchten Kalksteinen wiesen Muzaffarabad Formation (MF) und Margalla Hill Limestone (ML) die niedrigsten Festigkeitswerte von 0,77 % auf, was eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Abbau und Volumenveränderung innerhalb der Poren zeigt. Allerdings zeigten andere Kalksteine der Formationen, wie etwa die aus der Kawagarh-Formation (KW), der Shekhai-Formation (SH) und der Samana-Suk-Formation (SSF), die wünschenswertesten Aggregateigenschaften13, einschließlich der niedrigsten Los-Angeles-Abriebwerte von 14,08–16,92 %, und Werte von 11,38–14,90 %, 0,25–1,04 %, 1,04–2,12 % und 2,60–2,77 für Aggregateinwirkung, Wasseraufnahme, Aggregatporosität bzw. hohes spezifisches Gewicht (Tabelle 1). In dieser Forschungsstudie weisen die Wargal- und Chhidru-Formationen die maximalen Gesamtzerkleinerungswerte von 13,84 bzw. 10,78 % auf. Im Gegensatz dazu liegt der niedrigste aufgezeichnete Wert der Wargal- und Chhidru-Formationen für das Einheitsgewicht/die Schüttdichte weiterhin bei 1,74 bzw. 1,73 g/cm3. Sowohl der Wargal-Kalkstein als auch die Chhidru-Formation weisen uneingeschränkte Druckfestigkeitswerte im mittleren Bereich von 95,58 bzw. 93,90 % auf (Tabelle 1). Wargal-Kalkstein und Chhidru-Formation wiesen Schuppen- und Dehnungswerte auf, die niedriger waren als die anderer Kalksteine, obwohl sie fast im gleichen Bereich wie SSF und KW lagen (14,91–9,94 % bzw. 16,09–11,80 %). Lockhart-Kalkstein (LL) hat die größte Schüttdichte von 2,70–2,78 g/cm3 und ein spezifisches Gewicht von 2,63 bzw. 2,59, was ziemlich parallel zu anderen Kalksteinen ist. Im Gegensatz dazu weisen Wargal- und Chhidru-Formationen Wasserabsorptionswerte von 0,39 bzw. 0,46 auf, die mit KW, SH, SSF, WL, LL WL und MF5,16,23,42,61,62 vergleichbar sind. Ähnlich weisen beide Formationen aggregierte Porositätswerte auf, die größer als KW, SH und SSF und etwas niedriger als ML und LL sind, und die Porositätswerte der Wargal- und Chhidru-Formation bleiben bei 2,02 bzw. 2,0 %. Zu den charakteristischen Merkmalen des Wargal-Kalksteins und der Chhidru-Formation gehören geringere Festigkeitswerte, Los-Angeles-Abrieb, Aggregatschlag, Aggregatzerkleinerung und Wasseraufnahme aufgrund geringerer Mengen an Bioklasten, Mikrofrakturen (das Vorhandensein von Diskontinuitäten wie Rissen und Schichtung in Gesteinen). ihre Stärke verringern). Darüber hinaus weisen beide Formationen ein höheres spezifisches Gewicht und eine geringere Aggregatporosität auf.

Die Ergebnisse der geochemischen Analyse (Tabellen 2 und 3) zeigen, dass die Proben des Wargal-Kalksteins Konzentrationen von SiO2, TiO2, Al2O3, Fe2O3, MnO, MgO, CaO, Na2O in Bereichen von 1,99–2,65, 0,01–0,1, 0,65 aufwiesen –1,01, 0,32–0,66, 0,001–0,008, 2,21–3,01, 62,34–70,12 bzw. 0,59–0,74. Ebenso liegen diese Konzentrationsbereiche in den Proben der Chhidru-Formation bei 4,5–13,64, 0,033–0,077, 0,63–0,99, 0,55–0,76, 0,002–0,007, 2,01–2,89, 61,32–64,33 bzw. 0,21–0,55. Es wurden Proben aus dem Wargal-Kalkstein und der Chhidru-Formation mit mittleren CaO-Werten (Kalziumoxid) von 57,12 bzw. 50,53 % entnommen (Tabelle 2).

In dieser Untersuchung bleibt der Anteil an Kieselsäure in den Proben des Wargal-Kalksteins mit einem Durchschnittswert von 2,52 % (Tabelle 2) extrem niedrig, wohingegen der Anteil an Kieselsäure in den Proben der Chhidru-Formation weitaus höher bleibt als der des Wargal-Kalksteins vergleichsweise mit einem Durchschnittswert von 10,60 % (Tabelle 3). Eine Erhöhung des Aluminiumoxidgehalts im Beton erhöht die Geschwindigkeit, mit der er Wasser aufnimmt, was wiederum die Geschwindigkeit erhöht, mit der während der gesamten Betonhärtung Verdunstung auftritt, was zu einer Zunahme von Rissen und letztendlich zu einer Verschlechterung des Betons führt65. Daher gilt Aluminiumoxid als unreines Element in Karbonatgesteinen. Die durchschnittliche Aluminiumoxidkonzentration in Proben aus dem Wargal-Kalkstein und der Chhidru-Formation liegt bei 0,8 % bzw. 0,77 %, diese Konzentration hätte jedoch keinen Einfluss auf die Haltbarkeit des Betons. Die ACR kann schwerwiegender werden, wenn ein großer Anteil an Magnesium in Form des Dolomits66 des Minerals vorhanden ist. Proben aus dem Wargal-Kalkstein und der Chhidru-Formation weisen niedrige Durchschnittswerte von Magnesiumoxid von 2,69 % bzw. 2,42 % auf. Der Kalziumgehalt der Proben trug ebenfalls zu den etwas höheren Glühverlustwerten (LOI) bei, mit Durchschnittswerten von 25,29 bzw. 20,80 % aus den Formationen Wargal und Chhidru. Die geochemischen Ergebnisse des Wargal-Kalksteins und der Chhidru-Formation stimmen mit der geochemischen Analyse früherer Untersuchungen zu Aggregaten überein und stimmen gut mit ihnen überein.

Elçi et al.67 schlugen eine Gleichung (Gleichung 17) zur Bestimmung der chemischen Homogenität von Kalkstein vor und gaben an, dass homogener Kalkstein eine chemische Homogenität von mehr als oder gleich 95 aufweist.

Nach Gl. (17) ist der Wargal-Kalkstein homogener Kalkstein mit einem CaCO3-Gehalt von mehr als 95 %, während es sich bei der Chhidru-Formation um heterogenen Kalkstein mit einem CaCO3-Gehalt von weniger als 95 % handelt.

Die durchschnittlichen Ergebnisse (aus den Dreifachversuchen) der gelösten Kieselsäure (Sc) und der Verringerung der Alkalität (Rc) wurden mit der chemischen Methode für die verschiedenen Aggregate ermittelt (Tabellen 1, 2). Der Sc der Aggregate der Chhidru-Formation weist hohe Werte an gelöstem Siliciumdioxid auf, was einen höheren Gehalt an Siliciumdioxidmineral in einer amorphen Struktur der Aggregate der Chhidru-Formation darstellt. Das amorphe Siliciumdioxidmineral hat eine stark ungeordnete Struktur, die es bei hohen pH-Werten instabil macht. Andererseits weisen die Aggregate des Wargal-Kalksteins geringe Werte an gelöster Kieselsäure auf, was auf einen geringeren Gehalt an amorphem Kieselsäuremineral zurückzuführen ist. Nach dem chemischen Test (ASTM C 289) (angepasst von ASTM C 28968) wurde ein Diagramm mit den mittleren Sc- und Rc-Werten erstellt, das die Trennung zwischen harmlosen und schädlichen Aggregaten veranschaulicht (blaue durchgezogene Kurve). Basierend auf den Korrelationen zwischen Sc und Rc wurde für Aggregate aus Wargal-Kalkstein ein harmloses Verhalten festgestellt, während das Aggregat der Chhidru-Formation im schädlichen Bereich bleibt, wie in Abb. 7 dargestellt.

Die harmlose Natur des Wargal-Kalksteins und der Chhidru-Formation.

Das Aggregat der Chhidru-Formation weist den höchsten Rc-Wert auf (197,40 mmol/L) und das Aggregat des Wargal-Kalksteins weist den niedrigeren Wert auf (191,20 mmol/L). Die ermittelten Sc-Werte für die Chhidru-Formation liegen zwischen 73,5 und 370,5 mmol/L und stellen den höchsten Wert dar, wohingegen die im Waragal-Kalkstein aufgezeichneten Werte von 8,5 bis 165,66 mmol/L die niedrigsten sind. Dies wird auch durch die Testergebnisse bestätigt, die zeigen, dass nur Proben der Chhidru-Formation aufgrund ihrer Reaktivität gegenüber Alkalien als schädlich eingestuft wurden und die übrigen Proben (Wargal-Kalkstein) als harmlos eingestuft wurden. Darüber hinaus verdeutlichen die Proben des Wargal-Kalksteins im Hinblick auf die ASR auch, dass die Aggregate dieser Gesteinseinheiten harmlos sind und daher keine schädliche Wirkung haben, wie in Abb. 7 dargestellt. Es ist jedoch kein größeres Risiko einer ACR erkennbar Aggregat der Chhidru-Formation. Wenn die Ausdehnungswerte der Testprobe unter dem in der Norm (ASTM C-586)69 festgelegten Grenzwert von 0,10 % liegen, wie in Abb. 8 dargestellt, ist es möglich, dass sie kein ACR enthalten. Gemäß Abb. 8, die die Alkalicarbonatreaktivität veranschaulicht, könnten die getesteten Proben frei von ACR sein, da ihre Ausdehnungswerte unter dem in der Norm (ASTM C-586) festgelegten 0,10 %-Kriterium liegen69. Die aufgezeichneten Glühverlustwerte (LOI) bleiben in Proben der Wargal- und Chhidru-Formation bei 20,1–29,65 % bzw. 19,9–25,73 %.

Die Längenänderung aufgrund der ACR-Reaktivität im Wargal-Kalkstein und in der Chhidru-Formation.

Abgesehen von den Beziehungen zu den physikalisch-mechanischen Eigenschaften wurde die Korrelation für die Hauptoxide erstellt, wie in den Tabellen 4 und 5 gezeigt. Die Korrelationskoeffizientenanalysen zeigen einen starken positiven Zusammenhang zwischen LOI und CaO im Wargal-Kalkstein, was ein Hinweis darauf ist Dennoch besteht eine schwache negative Korrelation zwischen LOI und CaO in der Chhidru-Formation, was darauf hindeutet, dass der Kalkstein der Chiddru-Formation nicht rein ist und in heterogenen Kalkstein zerfällt. Darüber hinaus weisen LOI und CaO negative Beziehungen zu SiO2 auf. Der höhere Calcit- und CaO-Gehalt verbessert die Festigkeit und Haltbarkeit des Zuschlagstoffs und entspricht den weltweiten Standards der Zementindustrie65.

Die Tatsache, dass CaO (aus Calcit) und SiO2 (aus Quarz) eine negative Korrelation aufweisen, weist darauf hin, dass diese beiden Mineralphasen nichts miteinander zu tun haben und aus separaten Mineralphasen stammen. Da die Carbonatkomponente von Calcit einen großen Teil des LOI ausmacht, besteht ein deutlich positiver Zusammenhang zwischen dem LOI und der CaO-Konzentration. Darüber hinaus weist es einen negativen Zusammenhang mit der SiO2-Tabelle auf (Tabelle 5).

Basierend auf Petrographie und Mikrofaziesanalyse werden Lithofazies des Wargal-Kalksteins und der Chhidru-Formation in Tonstein, Wackestein bzw. Wackestein und Floatstein eingeteilt. Die Petrographie ergab, dass die Proben des Wargal-Kalksteins überwiegend durch Calcit gekennzeichnet sind, gefolgt von Mikrofossilien mit geringen Mengen an Ton, Quarz, Chalcedon und Dolomit. Im Wargal-Kalkstein schwankten die Calcit-Konzentrationen zwischen 90 und 95 %, die Micrit-Konzentration lag bei 4–8 %, der Ton blieb bei 2–3 % und in Spuren wurden Konzentrationen anderer Mineralien wie Pyrit, Limonit und Hämatit gefunden. Verfärbungen entlang von Mikrorissen waren ein verräterisches Zeichen für Eisenauslaugung, die in einigen Proben von Wargal-Kalkstein mit seltenen eisenhaltigen Stylolithen und Adern vorherrschte. Die Stylolithen zeugen davon, dass das Gestein chemisch komprimiert wurde, möglicherweise als Folge von Überlagerungsdruck und/oder tektonischen Spannungen. Die Chhidru-Formation wird in Wackestein- und Floatstein-Mikrofazies eingeteilt und ist durch die Hauptbestandteile Calcit und Mikrit mit geringen Mengen Quarz und Allochemen gekennzeichnet (Abb. 9). Die Konzentration der Feldspat- und Quarzmineralien liegt weiterhin im Bereich von 2–15 %, die Allochemikalienhäufigkeit liegt zwischen 6 und 20 % und Calcit macht 71–81 % aus. Der Quarzgehalt der Chhidru-Formation liegt zwischen 2 und 15 %, was sie laut Ramsay potenziell reaktiv für die Verwendung in Beton macht70. Wenn der Anteil an mikrokristallinem Quarz im Zuschlagstoff mehr als 5 % beträgt, stellt dies eine Gefahr für die Betonverwendung dar; Daher sollte der Zuschlagstoff der Chhidru-Formation als Betonmaterial mit Vorsicht verwendet werden.

Das Ternary Plots-Diagramm zeigt die Klassifizierung von Wargal-Kalkstein und Chhidru-Formation.

In der Petrographie wurde festgestellt, dass beide Gesteinseinheiten eine geringere Porosität aufweisen (Abb. 10, 11). Die Porositätswerte liegen im Wargal-Kalkstein zwischen 0,8 und 0,99 % und in der Chhidru-Formation zwischen 0,40 und 0,77 %. Allerdings spielen die Gewebemerkmale der Mikrofazies, wie Mikrofrakturen, Bioklasten und Stylolithe, eine wesentliche Rolle bei der Erhöhung der Porosität in der Probe. Dies gilt für den Wagal-Kalkstein, der vergleichsweise eine höhere Porosität aufweist als die Chhidru-Formation.

Mikrofotos des Wargal-Kalksteins, der im Abschnitt Nammal Gorge der Western Salt Range freigelegt wurde. (A) Stellt Schlamm-Wackestone-Mikrofazies dar, in denen fette Pfeile Bioturbation zeigen, sowie Crinoidfossilien (Cri) und Kalkschlamm oder Mikrit (mi). (B) Zeigt auch Schlamm-Wackestone-Mikrofazies, während fette und gestrichelte Pfeile undifferenzierte Fossilien (Fos) und andere Merkmale wie Mikrit (Mi) und Bioklasten (Bic) darstellen. (C) Stellt Wackestone-Mikrofazies dar, in denen Quarz (Qtz) durch einen fetten Pfeil dargestellt ist und Calcit-Zwillinge (Cal) in der Mitte zusammen mit diagenetischen Merkmalen von Bioklasten (Bic) und Neomporhismus (Neo) zu sehen sind. (D) beschreibt auch die Wackestone-Mikrofazies, die durch micritisiertes Fossil (Mf), Neomorphismus (Neo) und Mikrosparit (Ms) sowie Mikrit (Mi) dargestellt werden.

Repräsentative Mikrofotos der Chhidru-Formation, die die allochemischen und orthochemischen Häufigkeiten in einer Wackestone- und Floatstone-Mikrofazies darstellen; wobei (A) Allochems durch micritisiertes Fossil (Mf), micritisierte Bioklasten (Mib) und Bioklasten (Bic) dargestellt werden, wohingegen Orthochems durch blockigen Zement (Blc), Mikrit oder Schlamm (Mi) und Sparitzement (Sp) dargestellt werden. (B) stellt Muschelfossilien (Biv), Bioklasten (Bic) als Allocheme, Zement einschließlich isopachischen Zements (Isoc), mikritischen Zement (Mic) und einige Quarzkörner (Qtz) sowie Quarzzufluss (Qinf) in der mikritischen Matrix dar Dreck. (C) zeigt das fossile Stachelhäuter (Ech), den Bioklasten (Bic), die Mikritmatrix (Mi), den Sparitzement (Sp), das diagenetische Merkmal des Neomorphismus (Neo) mit eingebettetem Quarz (Qtz), Feldspat (Fel) und Quarzzufluss (Qinf ). (D) Stellt ein mikritisiertes Fossil (Mf), einen Bioklasten eines Brachiopoden (Bic), mit Mikrosparitzement und Mineralien aus Quarz (Qtz), Calcit (Cal), Feldspat (Fel) und dem Quarzzustrom (Qinf) dar.

Die Daten zu physikalisch-mechanischen Aspekten und zur Petrographie wurden in einer Regressionsanalyse dargestellt, um die Zusammenhänge zwischen den petrographischen und technischen Merkmalen zu untersuchen (Abb. 12, 13). Laut Ramsay70, Hartley75 sowie Lees und Kennedy76 beeinflussen petrografische Eigenschaften und Mikrostruktur die Aggregateigenschaften, und die petrografischen und strukturellen Merkmale des Gesteins steuern seine mechanischen Eigenschaften. Daher sind die Auswirkungen der petrografischen Inhalte auf technische Eigenschaften für die Eignung von sehr wichtig aggregierte Quellen. Das Ziel der Regressionsanalyse besteht darin, die quadratischen Abweichungen gemessener Punkte von der über die Punkte berechneten Anpassungslinie zu minimieren. Es wurden auch Berechnungen durchgeführt, um die Gleichungen und Bestimmtheitsmaße (R2) der angepassten Linien zu bestimmen. Regressionsmodelle erklären den größten Teil der Variabilität in y, wenn (R2) nahe bei 1 liegt. Solange der p-Wert kleiner als 0,05 ist, gilt das Modell als signifikant71. Die Abbildungen 12 und 13 zeigen eine Korrelation zwischen den petrographischen Eigenschaften (Kalzit, Bioklasten und Porosität) und den Festigkeitseigenschaften (UCS) und dem Punktlasttest (PLT).

Korrelation zwischen petrographischem Gehalt und technischen Eigenschaften (UCS) von Wargal-Kalkstein und Chhidru-Formation.

Korrelation zwischen petrographischem Gehalt und technischen Eigenschaften (PLT) von Wargal-Kalkstein und Chhidru-Formation.

Zwischen der Calcitkonzentration und den Festigkeitseigenschaften (UCS) und dem Punktlasttest (PLT) von Wargal-Kalkstein (R2 = 0,96), (R2 = 0,18) und der Chhidru-Formation (R2 = 0,90), (R2 = 0,69) besteht eine signifikante lineare Beziehung (Abb. 12, 13). Es wird jedoch eine umgekehrte, aber signifikante Beziehung (p ≤ 0,05) zwischen Bioklasten und Festigkeitseigenschaften (UCS) und (PLT) von Wargal-Kalkstein (R2 = 0,79), (R2 = 0,14) und der Chhidru-Formation (R2 = 0,94) beobachtet. R2 = 0,87). In ähnlicher Weise besteht eine umgekehrte, aber signifikante Beziehung (p ≤ 0,05) zwischen den Porositäts- und Festigkeitseigenschaften (UCS) und (PLT) von Wargal-Kalkstein (R2 = 0,80), (R2 = 0,33) und der Chhidru-Formation (R2 = 0,94), (R2 = 0,58). Die gleichen Eigenschaften wurden von Naeem et al.5 verglichen, die an Margalla Hill-Kalkstein (ML) und Lockhart-Kalkstein (LL) in der Rumli-Region von Islamabad, Pakistan, arbeiteten, und Asif et al.61, der an eozänen Karbonaten zur Nutzung arbeitete in Ingenieurbauwerken. Darüber hinaus stellten Zada et al.16 und Kamran et al.23 die gleiche Korrelation für Aggregate her und erzielten die gleichen signifikanten Ergebnisse. Im Gegensatz zur aktuellen Untersuchung besteht ein vergleichbarer positiver Zusammenhang zwischen UCS und Calcit sowie PLT- und Calcit-Gehalten, und es wird ein umgekehrter Zusammenhang zwischen UCS und Bioklasten und Porosität beobachtet. In ähnlicher Weise entdeckten SYA Shah et al.10 bei der Untersuchung der physikalisch-mechanischen Eigenschaften von Zuschlagstoffen für Bauzwecke einen umgekehrten Zusammenhang zwischen UCS und Porosität. Nach unserer Analyse ist das erhaltene Modell für die Korrelation zwischen dem UCS und dem petrografischen Inhalt sowie dem PLT und dem petrografischen Inhalt statistisch signifikant und der p-Wert beträgt weniger als 0,05.

Die Korrelation zwischen petrographischen Bestandteilen und mechanischen Parametern war in allen Fällen gering bis mäßig. Um die mechanische Reaktion jeder Probe aus den Aggregaten des Wargal-Kalksteins und der Chhidru-Formation zu bestimmen, haben wir die UCS- und PLT-Werte gegen den kumulierten Prozentsatz an Mikrit und Calcit, Allochemen und Porosität aufgetragen. Diese Ergebnisse zeigen eine ähnliche Variation der mechanischen Parameter, die direkt dem kumulativen prozentualen Anteil von Mikrit/Kalzit entspricht. Im Gegensatz dazu stehen die mechanischen Eigenschaften in einem umgekehrten Zusammenhang mit der kumulativen prozentualen Porosität und den Allochemikalien.

WA und LAV haben eine signifikante positive Beziehung (Abb. 5, 6) und WA steht in direkter Beziehung zu AIV (Abb. 6, 7), was darauf hindeutet, dass wesentlich porösere Zuschlagstoffe anfälliger für das Zerbröckeln sind, was zu einem schlechteren Tragwiderstand für die führt Material. In solchen Kalksteinen besteht ein signifikanter negativer Zusammenhang zwischen AIV und IF (Abb. 5, 6), was mit den Ergebnissen von Zarif et al.72 übereinstimmt.

Die Porosität hängt eng mit dem AIV zusammen (Abb. 5, 6), was darauf hindeutet, dass mit zunehmender Porosität auch die Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Stößen zunimmt. Ebenso steht die Porosität des Zuschlagstoffs in negativem Zusammenhang mit der Festigkeit (UCS) des Materials. Das Vorhandensein von Hohlräumen beeinflusst die Festigkeit des Aggregats aufgrund der Spannungskonzentration um diese Hohlräume62. Es werden signifikante direkte Korrelationen oder Beziehungen zwischen Porosität und LAV aller Carbonataggregate beobachtet (Abb. 5, 6), die zeigen, dass eine Erhöhung der Porosität zu einer Verringerung der Abriebfestigkeit (höheres LAV) führt. Es besteht ein deutlich positiver Zusammenhang zwischen LAV und AIV (Abb. 5, 6), beide Festigkeitseigenschaften schwanken sofort, wie aus früheren Studien hervorgeht72. Eine umgekehrte Beziehung zwischen LAV und IE (Abb. 5, 6) zeigt eine geringere Abriebfestigkeit länglicher Fragmente.

Die physikalischen Eigenschaften der ausgewählten Proben aus den Karbonaten des späten Perm (Wargal-Kalkstein und Chhidru-Formation) wurden durch Tests von Los-Angeles-Abrieb, Festigkeit, spezifischem Gewicht, Wasserabsorption, Porosität, Einheitsgewicht, Aggregatzerkleinerungs- und Aggregatschlagwerten, Flockenheit usw. bestimmt Dehnungswert und Tests von UCS und PLT. Die Ergebnisse der Abrieb- und Festigkeitstests in Los Angeles zeigen, dass die Gesteine beider Formationen eine ausreichende Beständigkeit gegen Gefrier- und Taueffekte aufweisen und innerhalb der zulässigen Grenzen für Großbauprojekte geeignet sind. Berechnungen zu Schüttdichte, spezifischem Gewicht, Wasseraufnahme und Porosität zufolge besteht für Wasser keine Chance, in Kalkstein einzudringen und so Schäden an Modellstrukturen zu verursachen73. Dieser Befund erklärt, dass die Oberfläche von Baustoffen mit geringer Wasseraufnahmekapazität und Porosität durch Witterungseinflüsse wie Wind oder Regen kaum oder gar nicht beeinflusst wird. Darüber hinaus liegen die kumulativen Werte des Längungs- und Schuppenindex innerhalb des für den Straßenbau definierten sicheren Bereichs.

Die Regressionsanalyse zwischen den physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Kalksteine des Wargal-Kalksteins und der Chhidru-Formation zeigte, dass die Beziehungen zwischen Los-Winkel und Wasserabsorption und Aggregatschlagwert, Porosität und Aggregatschlagwert sowie Porosität und Los-Winkel-Abriebwert direkt und korrelierbar sind und solche Beziehungen stehen im Einklang mit den definierten Standards und früheren Studien73. Ebenso wird eine umgekehrte Beziehung zwischen dem Aggregate Impact Value und dem Flakiness Index sowie dem Elongation Index beobachtet, was auf eine geringere Abriebfestigkeit von länglichen Fragmenten hinweist, und die Ergebnisse stimmen auch mit früheren Forschungsstudien74 überein.

Den mineralogischen und geochemischen Analysen zufolge bestehen die Kalksteinproben beider Formationen größtenteils aus dem Mineral Calcit und Kalkschlamm, d. (Naeem et al.5), (Asif et al.61), (Kamran et al.23) und (Zada et al.16). Die Korrelationsanalyse von Pearson ergab positive Beziehungen zwischen CaCO3, CaO und LOI. Darüber hinaus hat der ASR-Test gezeigt, dass der Wargal-Kalkstein für die Verwendung als Zuschlagstoffmaterial in kleinen und großen Bauprojekten geeignet ist, während die Probe aus der Chhidru-Formation aufgrund der höheren Konzentration an Alkali-Kieselsäure nicht für die Verwendung in Beton geeignet ist, was jedoch der Fall sein sollte mit Vorsicht verwendet werden, da frühere Untersuchungen von Malahat et al.73 auch hinzugefügt haben, dass Zuschlagstoffe mit hohem Kieselsäuregehalt aufgrund der hohen Expansionsrate nicht für Beton geeignet sind. Darüber hinaus kommt es aufgrund einer hohen CaCO3-Konzentration, niedriger Dolomit- und Siliciumdioxidkonzentrationen zu nachteiligen Auswirkungen auf Alkali-Aggregat-Reaktionen, so dass ACR und ASR zwischen WA und LAV eine deutlich positive Beziehung aufweisen (Abb. 5, 6) und WA eine signifikante positive Beziehung aufweist direkte Beziehung zum AIV (Abb. 6, 7). Dies weist darauf hin, dass wesentlich porösere Gesteinskörnungen eher zum Zerbröckeln neigen, was zu einer schlechteren Tragfähigkeit des Materials führt. In den Kalksteinproben des Wargal-Kalksteins und der Chhidru-Formation besteht eine signifikante negative Beziehung zwischen AIV und IF (Abb. 5, 6), was mit den Ergebnissen von Zarif et al.72 übereinstimmt.

Laut der in dieser Studie durchgeführten petrographischen Analyse erhöht der Calcitanteil die Gesamtfestigkeit des Kalksteins, während der Porositäts- und Bioklastenanteil die mechanischen Eigenschaften des Kalksteins verringert, indem er die Werte von UCS und PLT verringert. Die Proben mit der größten Porosität weisen die niedrigsten UCS- und PLT-Werte auf, während diejenigen mit der niedrigsten Porosität die höchsten UCS- und PLT-Werte aufweisen. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Festigkeit (UCS und PLT) der Kalksteinprobe umso geringer ist, je höher die Porosität und der Bioklastengehalt sind, wohingegen eine höhere Menge an Calcit oder Mikrit die Festigkeit und Stabilität der Kalksteinprobe erhöht. Laut Zada et al.16 führt die größere Häufigkeit von Calcit oder Mikrit zu einer Erhöhung der Stabilität und Festigkeit des Gesteins und höhere Bioklastengehalte führen zu relativ schwachen mechanischen Eigenschaften (UCS). Ebenso fügten sie hinzu, dass die höhere Porosität zu einer relativ geringeren Festigkeit (UCS) führt. Basierend auf der Petrographie und nach Befolgung der ASTM (C 295-12)75-Richtlinien enthält der Wargal-Kalkstein kein potenziell schädliches Mineral, was die untersuchte Gesteinseinheit für den Bau und als Zuschlagstoffquelle für Straßen und Brücken geeignet macht. Andererseits wird der Kalkstein der Chhidru-Formation als Zuschlagstoffquelle verwendet, und bei seiner Verwendung als Betonmaterial ist besondere Sorgfalt erforderlich. Auch die jüngsten Studien von Zada et al.16, Asif et al.61 und Kaybasi et al.76 zeigten in ihren Studien die gleichen Ergebnisse.

Insgesamt gehören zu den charakteristischen Merkmalen des Wargal-Kalksteins und der Chhidru-Formation geringere Festigkeitswerte, Los-Angeles-Abrieb, Aggregatschlag, Aggregatzerkleinerung und Wasseraufnahme aufgrund geringerer Mengen an Bioklasten und Mikrofrakturen. Darüber hinaus weisen beide Formationen ein höheres spezifisches Gewicht und eine geringere Aggregatporosität auf. Basierend auf petrographischen, geochemischen und geotechnischen Analysen kann der Wargal-Kalkstein daher als geeignete natürliche Quelle für Straßen, Beton und andere geotechnische und technische Anwendungen angesehen werden. Im Gegenteil, die Zuschlagstoffe der Chhidru-Formation sollten mit zusätzlichem Nutzen genutzt werden Vorsicht bei konkreten Bauprojekten aufgrund des Vorhandenseins bestimmter schädlicher Inhalte.

In dieser Untersuchung wurden die geochemischen, petrographischen und geotechnischen Eigenschaften des Wargal-Kalksteins aus dem späten Perm und der Chhidru-Formation in der Western Salt Range untersucht, um ihre Eignung als potenzielle Quelle für Bauzuschlagstoffe zu beurteilen. Die geochemischen und petrographischen Analysen des Wargal-Kalksteins ergaben keine schädlichen Substanzen, die zu Alkali-Aggregat-Reaktionen geführt hätten. Die geochemischen und petrographischen Untersuchungen der Chhidru-Formation ergaben jedoch schädliches Material, das eine Alkali-Aggregat-Reaktion auslösen könnte; Daher sollten die Zuschlagstoffe der Formation im Beton mit größerer Vorsicht verwendet werden. Die physikalisch-mechanischen Testergebnisse für Wargal-Kalkstein und Chhidru-Formation liegen deutlich innerhalb der verschiedenen internationalen Standards und können daher für den Bau von Ingenieur-/geotechnischen Bauwerken dringend empfohlen werden. Die Ergebnisse der Laborexperimente der untersuchten Gesteinseinheiten zur Bewertung ihrer physikalischen und mechanischen Eigenschaften wurden mithilfe einfacher statistischer Regressionen analysiert. Um festzustellen, ob sie die Kriterien als Zuschlagstoffquelle für die Bauindustrie erfüllen oder nicht, wurden die Werte verschiedener physikalischer Eigenschaften mit den Standards von BS und ASTM verglichen. Die Beziehungen zwischen CaCO3, CaO und LOI haben eine robuste positive Beziehung zwischen diesen drei Variablen gezeigt, basierend auf der Korrelationsmethode von Pearson. Die Beziehung zwischen petrographischen und physikomechanischen Eigenschaften zeigte, dass UCS und PLT direkt mit dem Calcitgehalt und umgekehrt mit der Porosität und den Bioklasten zusammenhängen. Basierend auf petrographischen, geochemischen und geotechnischen Analysen kann der Wargal-Kalkstein daher als geeignete natürliche Ressource für Straßen, Beton und andere technische Anwendungen angesehen werden. Andererseits sollten Zuschlagstoffe aus der Chhidru-Formation im Betonbau mit besonderer Sorgfalt verwendet werden Projekte aufgrund der Existenz bestimmter schädlicher Inhalte.

Die Laboranalyse ergab, dass der spätpermische Wargal-Kalkstein und die Chhidru-Formation für eine Vielzahl von Bauprojekten verwendet werden können. Es ist jedoch notwendig, das Vorhandensein einiger schädlicher Inhaltsstoffe in der Chhidru-Formation, wie z. B. reaktivem Quarz und Ton, durch XRD-Analyse und die Mörtelstabmethode des Alkali-Silica-Reaktionstests quantitativ zu bestätigen. Darüber hinaus kann eine klarere Erklärung der praktischen Natur durch die Bewertung anderer physikalisch-mechanischer Eigenschaften erreicht werden, wie z. B. der dreiachsigen Druckfestigkeit, der Scherfestigkeit, dem Elastizitätsmodul, dem Biegemodul, dem Schermodul, dem elektrischen Widerstand, der S-Welle, dem Giftverhältnis und dem Modul Bruch und verschiedene Asphalttests.

Die in der Studie präsentierten Daten sind auf Anfrage beim Erstautor und entsprechend erhältlich.

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Die Autoren danken Dr. Yi Luo, Dr. Wajid Ali und Dr. Paba Herath sehr für die Überarbeitung und die wertvollen Anregungen in diesem Artikel.

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Korrespondenz mit Jiaming Zhang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hussain, J., Zhang, J., Iqbal, SM et al. Erkundung des Potenzials spätpermischer Gesamtressourcen für die Nutzung in Ingenieurbauwerken durch geotechnische, geochemische und petrografische Analysen. Sci Rep 13, 5088 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32294-0

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Eingegangen: 26. September 2022

Angenommen: 25. März 2023

Veröffentlicht: 29. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32294-0

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