Wie funktioniert Alphasoil -06 als Ionenaustauscher und wie wirkt es auf Schluff und kolloidale Partikel während der Behandlung?

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1 Chemisch physikalische vom Ionenaustausch Wie funktioniert -06 als Ionenaustauscher und wie wirkt es auf Schluff und kolloidale Partikel während der Behandlung? Unter einer kolloidalen Lösung versteht man eine Lösung, in der die gelösten Stoffe in einer solchen Feinheit vorliegen, daß sie durch Filtration nicht mehr getrennt werden können. Unter Silt auch Schluff versteht man einerseits unverfestigte Feinböden, in der Regel klassischer Sedimente und Sedimentgesteine, die zu mindestens 95 % aus Komponenten in einer Korngröße von 0,002 mm bis 0,063 mm bestehen, bzw. anderseits den Schluff/Siltanteil an einem Korngemisch und damit auch dieses Korngrößeintervall selbst. In diesem Abschnitt wird sich mit spezifischen Reaktionen zwischen Wasser und Bodenteilchen befasst. Im Allgemeinen wird in der Bodenmechanik ein Unterschied zwischen zwei Wasserphänomenen gemacht, zwischen sich bewegendem und statischem Wasser (verursacht durch Eindringung oder Einfluss der Schwerkraft). Dieser Fakt ist von großem Nutzen um viele Reaktionen, die durch die Behandlung mit -06 ausgelöst werden, zu beschleunigen. Statisches Wasser, das sich unter Schwerkrafteinwirkung nicht bewegt, kann trotzdem nicht als völlig bewegungslos angesehen werden. Allgemein ist die durch osmotische Kräfte oder Molekülbewegung verursachte Bewegung sehr gering. Über eine lange Zeitspanne hinweg können jedoch erhebliche Massen entweder im flüssigen oder gasförmigen (Verdunstung) Zustand bewegt werden. Statisches Wasser, das im Boden gehalten wird, lässt sich in vier Kategorien unterteilen. Sie unterscheiden sich durch die Größenordnung der Kraft, mit der sie in der Lage sind sich an den Bodenteilchen festzuhalten.

2 1. Chemisches Wasser, das in der Kristallstruktur der Bodenmineralien gebunden ist. 2. Absorbiertes Wasser, das auf der Oberfläche von Bodenteilchen gebunden ist. 3. Wasser, das durch Oberflächenspannung an den Berührungspunkten von Bodenteilchen gebunden ist. 4. Kapillares Wasser, das in den Poren zwischen Bodenteilchen gebunden ist. Mit Ausnahme des chemisch gebundenen Molekülwassers (Punkt 1) werden alle oben genannten Wasserarten in den Reaktionsprozess von -06 einbezogen. -06 hat die Hauptaufgabe das gebundene Wasser zu reduzieren. Folge der Wasserreduzierung sind Hohlräume, welche durch das Kompaktieren des Bodens geschlossen werden und was somit für eine optimale Verdichtung sorgt. Neben der Wasserreduzierung wird auch die Quellfähigkeit der einzelnen Bodenpartikel extrem eingeschränkt. Die Funktion der einzelnen Wasserarten wird auf den folgenden Seiten nochmals genauer erläutert.

3 Chemisches Wasser Dieses in der Kristallstruktur von Bodenmaterialien gebundene Wasser hat einen sehr geringen Mengenanteil. Selbst bei Trocknung mit mehr als 110 Grad kann es nicht aus der Struktur heraus getrieben werden. Dieses Wasser ist integraler Bestandteil der Bodenmasse und seine Wirkung kann hier außer Acht gelassen werden. Absorbiertes Wasser Das an der Oberfläche von Bodenteilchen haftende Wasser kann mit Ofentrocknung zwar vermindert, aber nicht völlig heraus getrieben werden. Während der Abkühlzeit von offen liegendem, getrocknetem Boden wird dieser je nach der Feuchtigkeit der umgebenden Luft erneut Wasser aufnehmen. Der größte Teil des im Boden gebundenen Wassers entwickelt sich zu durch Oberflächenspannung gehaltenem Wasser. Dieses Wasser kann man entweder an den Berührungspunkten (Oberflächenspannung) feststellen oder es bewegt sich als Wasser zwischen den Partikeln in Form von Porenwasser oder freiem Wasser in den Kapillarröhren, Kanälen oder Durchgängen. Kapillarwasser Dieses Wasser ist in den Poren zwischen Bodenteilchen gebunden. Durch Versickern, Verdunsten oder Wasserextraktion in Anlagen vermindert es sich Das größte Problem stellt das absorbierte Wasser dar, welches verteilt an der gesamten Oberfläche der Bodenpartikel gehalten wird und praktisch Bestandteil der Bodenteilchen ist. Diese Wasserschicht ist letztendlich für den Quell- und Schrumpfvorgang der kolloidalen Bodenbestandteile verantwortlich. Durch rein mechanische Vorgänge lässt sich das absorbierte Wasser nicht austreiben, obwohl durch Temperatureinflüsse, Wasserzugabe bzw. -entzug oder mechanischen Druck eine Vergrößerung oder Verkleinerung erfolgen kann. Hier befindet sich der ideale Ansatzpunkt von -06. Der elektrostatische Aufbau eines Bodenteilchens wird nachfolgend näher erläutert. Durch Herabsetzung des Dipolmoment des Wassermoleküls findet eine Aufspaltung in ein Hydroxyl(+)- Ion sowie ein Wasserstoff(-) -Ion statt. Das Hydroxyl -Ion spaltet sich wiederum in ein Sauerstoff- und ein Wasserstoff -Ion, wobei das Wasserstoffatom des Hydroxyls in ein Hydronium Ion umgewandelt wird. Dieses Hydronium Ion kann im Status Nascendi plus oder minus Ladungen je nach Bedarf abgeben oder abnehmen. Die kolloidalen Feinstbestandteile des Bodens sind normalerweise negativ geladen. Die außerhalb anliegende Schicht des absorbierten Wassers trägt genügend positive geladene Metall-Ionen wie Natrium, Kalzium, Aluminium oder Magnesium, die im Hinblick auf die negativen Boden-Ionen einen Ladungsausgleich herstellen.

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5 Absorbiertes oder Hygroskopisches Wasser ist hauptsächlich verantwortlich für die Quelleigenschaften des Bodens. Ein Bodenkorn mit chemisch gebundenem Wasser ist nicht in der Lage aufzuquellen, d.h. die Strukturdichte zu ändern. Nur die Schicht des absorbierten Wassers, die mit großer Kraft auf der Oberfläche der Tonteilchen festgehalten wird, kann sich in ihrem Volumen während einer Bewässerung ausdehnen. Da dieses absorbierte Wasser in stabiler Form an die Tonteilchen gebunden ist, verschieben sich bei Verdickung dieser Schicht die Massenkerne gegeneinander, was eine Zunahme des Gesamtvolumens erzeugt. Um eine möglichst dichte Lagerung der Tonteilchen zu erzielen und das unangenehme Aufquellen der Schrumpfeigenschaften auszuschalten, muss daher nur die Dicke des absorbierten Wassers reduziert oder aufgespaltet werden (wie oben erwähnt, wird diese Wasserhaut mit großer Kraft gehalten). Die einzige Möglichkeit, dies wirtschaftlich und auch dauerhaft zuwege zu bringen, ist durch Ionenaustausch. Die -06 Lösung beeinflusst durch ihre elektrokinetischen Eigenschaften sowohl die positiven als auch die negativen Ladungen der Bodenteilchen. Dies hat drei Auswirkungen : 1. Die Schicht des absorbierten Wassers wird stark verringert oder sogar vollkommen unterbrochen. 2. Die Bodenteilchen neigen zur Agglomeration. (Stückung) 3. Durch die Bewegung zueinander wird die Oberfläche verkleinert und weniger absorbiertes Wasser kann aufgenommen werden, was wiederum eine verminderte Aufquellfähigkeit ergibt. Ferner wird die Verdichtung des Bodens durch diese drei Fakten erleichtert bzw. möglich.

6 Bei dieser Erscheinung vereinigen sich negative Ladungen des Hydronium - Ions oder des negativ geladenen Hydroxyl - Ions normalerweise mit den positiv geladenen Metallen des ionisierten Wassers an der Oberfläche der Partikel. Durch die Ladungsverminderung, die -06 in dem Wassermolekül auslöst, sind genügende Mengen an negativen Ladungen vorhanden, um ausreichenden Druck auf die positiv geladenen Metall - Ionen der absorbierten Wasserschicht auszuüben. Eine Durchbrechung der vorhandenen elektro-statischen Potentialbarriere ist die Folge. Wenn diese Reaktion eintritt, wandern die Metall - Ionen zu dem freien Wasser, dass ausgeschlämmt oder verdunstet werden kann. Die Schicht des absorbierten Wassers ist vermindert und die Bodenteilchen verlieren ihre Aufquellfähigkeit und erlangen in der ganzen Schichtenbildung eine krümelige Struktur. Dieser Prozess ist irreversibel, nicht umkehrbar.

7 Die während der Spaltung des Wassermoleküls freigesetzten Wasserstoff - Ionen können nochmals mit freien Hydroxyl - Ionen reagieren um, neben der Bildung von gasförmigem H2, Wasser zu bilden. Es ist wichtig festzustellen, dass die vorhandene Feuchtigkeit das Verhalten der Oberflächenspannung als ein Faktor, der sich auf die Verdichtung auswirkt, beeinflusst. Es ist hinzuzufügen, dass trockener Boden nur wegen der Oberflächenspannung des eingeschlossenen Wassers für die Verdichtung schlecht geeignet ist. Somit kann man sehen, warum eine Gesamtmenge Lösung für die chemische Behandlung der betreffenden Fläche erforderlich ist. Dies ist sehr wichtig, denn wenn die gesamte Lösung nicht zugegeben wird, dann wird das Eindringen der Lösung effektiv verringert. Diese beiden Erscheinungen (Gasund Wasserbildung und Oberflächenspannung ) können durch eine Verstärkung des Feuchtigkeitsgehalts reduziert werden.

8 Wenn die Kräfte durch eine Zunahme der Feuchtigkeit (geringer Feuchtigkeitsgehalt und Herabsetzung der Bildung von gebundenem Gas und freiem Wasser ) verringert werden, kann die Lösung leichter in die Kapillarstruktur eindringen und der Ionenaustausch kann schneller stattfinden. Das demzufolge freigesetzte Wasser kann entweder versickern oder durch die Knetwirkung z. B. einer Schafsfußwalze und darauf folgende Verdunstung ausgetrieben werden. -06 schafft somit günstige Verdichtungsvoraussetzungen durch Änderung des Zeta - Potentials von Schluffund Tonteilchen. Das Zeta - Potential (elektrokinetische Potential) nimmt mit einer zunehmenden Konzentration der Gegenionen aus der -06 Lösung ab. Die Kationen und Anionen werden von der diffusen Doppelschicht befreit, die die Aufquelleigenschaften des Bodens herabsetzt.

9 Das Schrumpfzeitdiagramm zeigt eindeutig, dass der Schrumpfprozess eine Sägeblattstruktur über dem ausgetretenen Kapillarwasser annimmt und die Schwellenwerte der Struktur nach Null gehen. Anders gesagt: Wenn Wasser zugesetzt wird, nachdem das Schrumpfen stattgefunden hat, geht die Schrumpfung auf die ausgetretene Menge des Kapillarwassers zurück. Bei einer weiteren Schrumpfung durch Verdunstungswasser wird die im ersten Schrumpfprozess erreichte Größenordung nie wieder erzielt. Dies untermauert die Tatsache, dass unabgedichtete Flächen, die mit -06 Lösung behandelt wurden, über eine längere Zeitspanne mehr Stabilität gewonnen haben.

10 Die Eigenschaften von -06 und ihre Ergebnisse: 1. Die Herabsetzung des Dipolmoments, was eine Wasserabweisung in dem einzelnen Bodenteilchen mit gleichzeitiger Verringerung der Aufquellfähigkeit erzeugt. 2. Das elektrokinetische Phänomen, das eine Verfestigung der Bodenteilchen verursacht. Deswegen erreicht der Boden eine höhere Scherfestigkeit, die Verdichtungsfähigkeit wird entscheidend verbessert (Dichte ist eine Funktion der aufgewandeten Energie) und die Durchdringbarkeit stark erhöht gegenüber unbehandeltem Boden. Der Beweis dieser Wirkungsweisen kann mittels Zylinderdruckversuch und CBR Versuch erbracht werden. Die Bodenteilchen richten sich generell parallel aus durch Aufbau einer elektrischen Polsterung, die einen Gleiteffekt verursacht, der in der horizontalen Molekularstruktur stattfindet (hier wäre die Molekülkonstruktion von Grafit vergleichbar). Allgemein hat eine Bodenart kolloidaler Natur einen Aufbau ähnlich einem Kartenhaus. Dieser Kartenhauseffekt erlaubt das Vorhandensein ziemlich großer Räume, die entweder mit Wasser oder mit Luft gefüllt sein können. Während der Behandlung mit - 06 müssen diese Räume auf alle Fälle entweder mit Porenwasser vom Statikwasser gefüllt sein oder aber das Durchtränken des Bodens ruft den vorher genannten Fließeffekt hervor. Nur auf diese Weise kann der Ionenaustausch durch Kationen höherer Valenz stattfinden und das Dipolmoment des Bodenteilchens herabgesetzt werden. Nachdem die Reaktion stattgefunden hat, kann nicht soviel Wasser wie ursprünglich angesammelt werden, was die Aufquellfähigkeit herabsetzt, die interne Feuchtigkeit des Bodens verringert und eine Verdichtung bis zum Luftzwischenraum Null mittels der entstehenden Räume des ausgeschiedenen Porenwassers möglich macht.

11 Spätere Zugaben von Wasser können diesen Prozess nicht mehr umkehren, sobald er einmal stattgefunden hat (die Aufquellfähigkeit wird zerstört und die Scherfestigkeit erhöht). Nach den physikalischen Gesetzen müssten die obigen Reaktionen auch stattfinden können in den Bodenschichten, in denen das Wasser durch die Eindringung der Poren nicht direkt bewegt wird, da auch statisches Wasser als Beförderungsmittel für die Ionen dienen kann. Die Geschwindigkeit, mit der die Reaktion in statischem Wasser abläuft, ist sehr schwer zu ermitteln, weil noch andere elektrokinetische Variablen mitspielen. Es sind zu viele Faktoren im Spiel, Widerstand oder Potentialbarrieren (verschieden je nach Bodenart), spezifischer Bedarf an Porenwasser der Bodenpartikel, die natürlich nach Sättigung streben, Partikelgröße, Flächengröße und PH- Wert des Bodens. Für ein fehlerfreies Funktionieren der Arbeitslösung ist die Mindestforderung nach dem optimalen Wassergehalt des Bodens zu ermitteln, während eine geringe Erhöhung eine Verstärkung der Reaktion verursacht. Der Wassergehalt ist jedoch auf keinen Fall bis zur Sättigungsgrenze zu bringen, weil dies zu einem Verlust der Eindringkraft und der wirksamen Tätigkeit führt. Analog ergäbe sich bei erreichtem Sättigungsgrad der Nachteil, dass die Oberfläche durch den ursprünglichen Aufquelleffekt versiegelt wird.