Tonmineralogie und Bodenphysik

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1 Werner Hiltmann Bernhard Stribrny Tonmineralogie und Bodenphysik Mit Beiträgen von Axel Baermann, Kurt Czurda, Eberhard Dahms, Hans-Georg Dietrich, Lothar Fritz, Peer-L. Gehlken, Werner Hiltmann, Harald Heimerl, Ewald Erwin Kohler, Bernhard Mattiat, Heinrich Rösch, Wilfried Schneider, Nariman Tadjerpisheh, Jean-Frank Wagner und Reinhard Wienberg Mit 68 Abbildungen und 33 Tabellen

2 1 Grundlagen Tone und Tonminerale - eine Übersicht Ton Tonminerale Umwelttechnische Eigenschaften der Tone Einfluß von Deponie-Inhaltsstoffen auf die Barriereeigenschaften von Tonen Einleitung Prozesse bei der Wechselwirkung von Deponie-Inhaltsstoffen und Tonen Einfluß der Deponie-Inhaltsstoffe auf die Eigenschaften der Tone Schadstoffrückhaltevermögen Anforderungen der Technischen Anleitungen zum Abfallgesetz Probleme der Begriffsbestimmungen Primärziel und abgeleitete Einzelziele der TA Abfall / Siedlungsabfall Grundlagen für die abgeleiteten Ziele Die Deponiebarriere als biogeochemischer Reaktor Abbau organischer Schadstoffe Mobilisierung von Schwermetallen Schadstoffrückhaltevermögen durch Adsorption/Desorption Hierarchie der Einzelziele Ausblick 23 Literatur 23

3 2. Einsatzmöglichkeiten, Aussagen und Grenzen bodenphysikalischer, physikalisch-chemischer und mineralogischer Kenngrößen und Meßmethoden zur Erkundung und Beschreibung der Geologischen Barriere Grundsätzliche Überlegungen zu bodenphysikalischen, physikalisch-chemischen und mineralogischen Kenngrößen und deren Meßmethoden Bedeutung und Aussage der bodenphysikalischen Meßparameter Bedeutung und Aussage der physikalisch-chemischen Untersuchungen Bedeutung und Aussage des Mineralbestandes 32 Literatur 34 3 Barriereeigenschaften von Tonen Normen, Regelwerke, Richtlinien, Empfehlungen, Vorschriften Bewertungskriterien Überblick Dichtigkeit bzw. Durchlässigkeit Adsorptions- bzw. Schadstoffrückhaltevermögen Untersuchungsmethodik und -Strategie Bodenphysikalische Verfahren Mineralogische und chemische Verfahren zur Bestimmung des Mineralbestandes Physikalisch-chemische Verfahren Untersuchungsschritte Grundparameter-Analytik Erweiterte Analytik Berechnung des Schadstofftransports als Bewertungsinstrument Einleitung Transportmechanismen und deren mathematische Beschreibung Anfangs- und Randbedingungen für den Stofftransport in einer Tonbarriere Methoden zur Lösung der Stofftransportgleichung Analytische Lösungen Halbanalytische Lösungen Numerische Lösungen 60 Literatur 65

4 , Meßparameter Bodenphysikalische Verfahren Korngrößenverteilung Einleitung Grundlagen Anwendungsbereiche Verfahrensprinzipien Probenvorbereitung Untersuchungsmethoden 1 Klassierungsmethoden 2 Sedimentationsmethoden 3 Zählmethoden Auswertung und Darstellung der Ergebnisse Qualitätssicherung Technischer und zeitlicher Aufwand Porenanteil, Porenzahl, Sättigungszahl Wassergehalt Allgemeines Ofentrocknung Schnellverfahren mit Mikrowellenherd Zustandsgrenzen (Konsistenzgrenzen) Wasseraufnahmevermögen Quellverhalten Scher- und Druckfestigkeit Rahmenscherversuch Triaxialversuch Einaxialversuch Kompressionsversuch (KD-Versuch) Durchlässigkeit Grundlagen Bestimmung im Versuchs-/Entnahmezylinder Bestimmung im Triaxialgerät Bestimmung im Kompressions-Durchlässigkeitsgerät (KD-Gerät) Bestimmung im Standrohrgerät Auswertung der Meßergebnisse

5 4.2 Mineralogische Verfahren Mineralanalyse Röntgendiffraktometrie Prinzip Anwendung, Genauigkeit Probenvorbehandlung Qualitative Analyse (Semi-) quantitative Analyse Technischer und zeitlicher Aufwand Infrarot-Spektroskopie Physikalisches Prinzip Anwendungsbereich Qualitative Analyse Quantitative Analyse Aufnahme- und Präparationstechnik; technischer und zeitlicher Aufwand Berechnung von Tonmineralgehalten aus koloidchemischen und chemischen Kenngrößen Tonmineralgehalte aus kolloidchemischen Kenngrößen Tonmineralgehalte aus chemischen Kenngrößen Thermoanalyse Thermoanalytische Methoden Thermoanalyse in der Tonmineralbestimmung DTA- und DTG- Signale Gefügeanalyse Voruntersuchungen Radiometrische Dichtebestimmung Transmissions-Computertomographie (CT) Lichtmikroskopie Rasterelektronenmikroskopie (REM) Physikalisch-chemische Verfahren Kationenaustauschkapazität Prinzip und Anwendungsbereich Ammonium-Methode Barium-Methode Silberthioharnstoff-Methode Technischer Aufwand Spezifische Oberfläche und Mikroporosität Porengrößenklassifikation 202

6 Nachweismethoden für Mikroporosität und spezifische Oberflächen Prinzip der Adsorptionsmethodik Stickstoffporosimetrie Quecksilberporosimetrie Zahlenwerte für Porosität und spezifische Oberfläche Adsorption und Desorption Prinzip und Anwendungsmöglichkeiten Grundlagen, Definitionen und Größen Methoden der Adorptions- und Desorptionsmessungen Bestimmung aus Schüttelversuchen Bestimmung aus der effektiven und der apparenten Diffusion Bestimmung aus Säulen-Perkolationsversuchen Technischer und zeitlicher Aufwand Diffusion Prinzip und Anwendungsmöglichkeiten Grundlagen, Definitionen und Größen Definitionen und Gesetzmäßigkeiten der Diffusion Diffusion in porösen Medien Methoden zur Ermittlung des Diffusionskoeffizienten D o im reinen Wasser Experimentelle Methoden mit Bodenprobe Versuchsaufbau und -ergebnisse zur stationären Diffusion Anwendungsbeispiel zur stationären Diffusion Experimenteller Versuchsaufbau und Versuchsergebnisse zur instationären Diffusion Anwendungsbeispiele zur instationären Diffusion Technischer und zeitlicher Aufwand Chemische Verfahren Carbonate Probenvorbehandlung Scheibler-Finkener-Verfahren Coulomat-Verfahren (Coulometrie) Chemische Extraktion Differenzierung der Carbonate Technischer Aufwand Sesquioxide Prinzip und Anwendungsbereich Technischer Aufwand 241

7 4.4.3 Organische Substanz Naßoxidation Coulomat-Verfahren (Coulometrie) Technischer Aufwand 242 Literatur 242 Bodenphysikalische Verfahren 242 Mineralogische Verfahren 247 Physikalisch-chemische Verfahren 251 Chemische Verfahren 252 Nachtrag zum Band 4 Geotechnik Hydrogeologie Zerstörungsfreie Bohrkernaufiiahme Aufnahme und Dokumentation Sachverzeichnis 287