K O R N G R Ö ß E N A N A L Y S E VON BODENPROBEN. Versuch 1. Korngrößenanalyse

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1 K O R N G R Ö ß E N A N A L Y S E VON BODENPROBEN Versuch 1. Korngrößenanalyse

2 1. Korngrößenanalyse von Bodenproben 1.1. Theoretische Grundlagen Zusammensetzung eines Bodens Nach Kümmel/Papp kann man einen Boden grob in folgende Bestandteile einteilen: - Organische Komponenten (2-5% des Bodens), bestehend aus: Biomasse, Humus (Huminstoffe, Nichthuminstoffe, Minerale) und Bodenorganismen. - Anorganische Komponenten, bestehend aus: Sand, Schluff und Ton. - Bodenwasser, - Bodenatmosphäre. Nach der Entstehungsart, von der die Lagerungsweise und der Porenanteil des Bodens stark abhängen, unterscheidet man u.a.: - Verwitterungsböden (Ve), die an Ort und Stelle entstanden. - Tertiärböden (Te), die im Tertiär entstanden: Sandsteine, Sande, Tone, Mergel mit Braukohlenlagern, diverse Konglomerate, Kalke, Salze und Ergusssteine. - Diluvialböden (Di), die während der Eiszeit herangetragen oder durch Schmelzwasser abgelagert wurden (Urstromtäler). - Alluvialböden (Al), die in der Nacheiszeit angeschwemmt, durch Vertorfung entstanden oder von Hängen abgespült und wieder abgelagert wurden. - Vom Wind abgelagerte Böden, wie Löß (Lö) oder Dünensand (Dü). - Sonstige Böden und Materialien (Ab), die durch Menschenhand geschaffen wurden: Bergbauhalden, Schuttablagerungen, Komposten usw. Für viele ökologische Fragestellungen ist die typologische Gliederung der Böden auf Grundlage der von der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft erarbeiteten Systematik der Böden Deutschlands (Bodenkundliche Kartieranleitung, 1982) hilfreich. Die Abfolge der Bodenhorizonte dient als Gliederungsmerkmal. Es werden insbesondere die Kategorien Abteilungen, Klassen und Bodentypen unterschieden. Beispielsweise findet sich in der Abteilung Terrestrische Böden, Klasse Braunerden der Bodentyp Parabraunerde mit der Horizontabfolge Ah-Al- Bt-C Stellung und Aussagen der Korngrößenanalyse Für die Einteilung und Beurteilung der Mineralböden (anorganische Komponenten) ist die Körnung (Bodenart) ausschlaggebend. Sie kann bestimmt werden durch: - Untersuchungen direkt auf dem Feld mittels Lupe und/oder Reiben mit nassen Händen zwischen den Fingern (Fingerprobe), VERSUCH 1 SEITE 2

3 - Sedimentation einer mit viel Wasser aufgeschlämmten und geschüttelten Bodenprobe in einer hohen Schlämmflasche oder am besten und genauesten durch eine - Körnungsanalyse im Labor z. B. durch Siebung, Sedimentation und Laserbeugung. Die Korngrößenanalyse ist Bestandteil der bodenphysikalischen Untersuchungsmethoden zur Bestimmung von bodenphysikalischen Kennwerten. Ihre Aufgabe ist die Bestimmung der mengenmäßigen Verteilung der Korngrößen der Bestandteile eines Bodens, insbesondere des sog. Lockergesteins (lt. DIN 4047, T.3 Sammelbegriff für Gesteine, deren Körner nicht oder nur schwach miteinander verkittet sind). Dabei werden die Siebrückstände > 2mm als Grobboden und die abgesiebten Korngrößenfraktionen < 2mm als Feinboden bezeichnet. Auf Grund der Zusammensetzung eines Mineralbodens aus Sand, Schluff und Ton unterscheidet man die Hauptbodenarten: - Sande (S), - Schluffe (U), - Tone (T) und - Lehme (L) Die Lehme selbst sind ein Gemenge aus Sand, Schluff und Ton. Der Körnung eines Mineralbodens nach wird folgende Einteilung gewählt: - Grobboden Steine > 63 mm Kiese (gerundete Formen, ansonsten Grus) Grobkies mm Mittelkies 20 6,3 mm Feinkies 6,3-2 mm - Feinboden Sande Grobsand 2-0,63 mm Mittelsand 0,63-0,2 mm Feinsand 0,2-0,063 mm Schluffe Grobschluff 0,063-0,02 mm Mittelschluff 0,02-0,0063 mm Feinschluff 0,0063-0,002 mm Ton < 0,002 mm Aus der mengenmäßigen Zusammensetzung des Lockergesteins resultiert eine Beurteilung der bodenphysikalischen Eigenschaften mit folgenden Hauptaussagen für die Umwelttechnik: - Lagerungsdichte, Hohlraumvolumen mechanische Festigkeit eines Bodens - Wasserdurchlässigkeit Grundwasserfließgeschwindigkeit ( K f -Werte, Untersuchung von Aquifer und Aquiclude: z.b. für Deponietechnik) - Benetzungseigenschaften und Oberflächenaktivitäten Bindung und / bzw. Reaktion von / mit Schadstoffen. - Fähigkeit zur Sorption von Kationen (Kationenaustauschkapazität) Sorption von Schwermetallen und Pflanzennährstoffen. VERSUCH 1 SEITE 3

4 Voraussetzungen für die Korngrößenanalyse Erste Voraussetzung ist die Herstellung repräsentativer Bodenprobenmengen nach der Methode der Probenteilung. Zweite Voraussetzung ist die mechanische Trennung des Bodens in Grobund Feinboden durch Grobsiebung. Das Trennmerkmal ist der Korndurchmesser: d > 2 mm: Grobboden d < 2 mm: Feinboden. Dritte Voraussetzung ist die Vorbehandlung der Bodenproben in Abhängigkeit des Gehaltes an organischen Komponenten: - Behandlung mit HCl, - Behandlung mit Natriumpyrophosphat und die - Behandlung mit Wasserstoffperoxid. zur Zerstörung der sog. Kittsubstanzen Carbonate, Eisenhydroxide bzw. Eisenoxyhydrate Methoden der Korngrößenanalyse In Abhängigkeit der Korngrößenzusammensetzung des Bodens wendet man folgende Methoden an: - Siebanalyse nach DIN durch Trockensiebung für Kornfraktionen (Anlage 1) 0,2 < d < 2 mm und ggf. durch Nasssiebung bis 0,063 mm nach Vorbehandlung mit Natriumpyrophosphat: DIN 19683, T.2, - Sedimentationsanalyse für Kornfraktionen 0,002 < d < 0,02 mm nach Vorbehandlung mit Na- Pyrophosphat: DIN 19683, T.2; Neben diesen Methoden können auch andere Sedimentationsanalysenverfahren (Andreasen, Sedimentationswaage, Fotometrie) und die Laserbeugungsspektroskopie ( 0,16 < d < 1250 µm ) verwendet werden Auswertung der Korngrößenanalyse Die aus der Körnungsanalyse ermittelten Massenverhältnisse der einzelnen Teilchen einer Bodenprobe werden in einem Körnungsnetz dargestellt. Die mathematischen Grundlagen und die Methodik dafür enthält die Praktikumsanleitung für das Praktikum Technische Chemie Versuch 2.1., Korngrößenanalyse. In der Bodenkunde wird allerdings ein spezielles Körnungsnetz nach DIN verwendet. Auf der Ordinate wird der prozentuale Siebdurchgang D bzw. der Siebrückstand R im linearen Maßstab über dem Logarithmus des Äquivalentdurchmessers d der Kornfraktion dargestellt. Das Ergebnis ist wiederum eine Summendurchgangs- bzw. die Summenrückstandskurve, wobei in der Praxis die Erstere bevorzugt angewendet wird. Aus dieser Kurve können dann ebenfalls die prozentualen Mengen (Massen) einer bestimmten Korngrößenklasse und die für die jeweilige Bodenart charakteristischen Korndurchmesser abgelesen werden. Ein Muster dieses Körnungsnetzes ist als Anlage 2 beigefügt. Diese charakteristischen Korndurchmesser sind: VERSUCH 1 SEITE 4

5 - mittlerer Korndurchmesser der Verteilung bei 50 % Durchgang d 50, - Korndurchmesser der Verteilung bei 60 % Durchgang d 60, - Korndurchmesser der Verteilung bei 10 % Durchgang d 10 und ggf. - Korndurchmesser der Verteilung bei 30 % Durchgang d 30. Gibt der d 50 -Wert den mittleren Korndurchmesser einer Verteilung im untersuchten Intervall an, so werden aus den anderen bodenspezifische Kennwerte abgeschätzt bzw. berechnet, so der Ungleichförmigkeitsgrad U, die Krümmungszahl Cc und der K f -Wert. Der Ungleichförmigkeitsgrad U macht eine Aussage über die Steilheit der Summendurchgangskurve. Steile Kurven sind für eine gleichförmige Körnungszusammensetzung charakteristisch. Dieser U-Wert ist konventionell definiert als U = d60 d10 U-Werte > 15 bedeuten ein sehr ungleichförmiges Körnungsspektrum, bei dem eine starke Verschlämmungsneigung zu erwarten ist. U-Werte 5 < U < 15 bedeuten ein ungleichförmiges Körnungsspektrum, bei dem eine mittlere bis mäßige Verschlämmungsneigung des Bodens eintreten wird. U-Werte < 5 sind charakteristisch für einen gleichförmigen Aufbau des Körnungsgefüges, das aber auch, je nach Korndurchmesser, eine starke Verschlämmungsgefahr bedeuten kann. Die Krümmungszahl Cc charakterisiert eine Bodenprobe innerhalb ihres Körnungsspektrums entweder als weit-, eng- oder intermittierend gestufte Korngrößenverteilung. Damit beschreibt sie den Verlauf der Körnungslinien im Ungleichförmigkeitsbereich. Sie wird berechnet zu Cc = 2 ( d 30 ) d d Der K f -Wert hat die Dimension einer Geschwindigkeit und ist ein Maß für die Wasserdurchlässigkeit einer Bodenschicht. Für den Boden fand HAZEN eine empirische Gleichung K f = C ( d10) 2 [cm/s] Die Konstante C ist dabei nach HARTGE eine Funktion des Ungleichförmigkeitsgrades U. Sie kann in erster Näherung gleich 100 gesetzt werden, wenn der Äquivalentdurchmesser d in [cm] die Körnungslinie beim Durchgang D gleich 10 % schneidet. Die Größe d 10 wird als sog. wirksame Korngröße" bezeichnet, da sie der wesentliche Faktor für die hydraulische Leitfähigkeit für ein Lockergestein ist. VERSUCH 1 SEITE 5

6 Da die Konstante weiterhin eine Funktion der Bodenwassertemperatur ϑ ist, gibt HÖLTING folgende Gleichung an: K f = 0, 7 + 0, 03 ϑ ( d10 ) 86, 4 2 [m/s] mit 0, 7 + 0, 03 ϑ C = 86, 4 Die Bodenwassertemperatur ϑ wird hierbei in [ o C] und die Korngröße in [mm] angegeben. Die Bodenwassertemperatur beträgt in Deutschland ca. 10 o C. Beide Gleichungen gelten nur, wenn U < 5 ist. Die Zuordnung des K f -Wertes zu den Bodenarten und ihren Körnungen enthält die Tabelle 1, die entsprechenden Durchlässigkeiten die Tabelle 2. Aquifer K f -Wert [m/s] Grundwasserfließgeschwindigkeit [m/s] Kiese ,1-0,01 Grober Sand ,001 Mittelkörniger Sand ,001-0,0001 Feiner Sand ,0001-0,00001 Schluffiger Sand , , Aquiclude Toniger Schluff , , Ton < , Tabelle 1: Grundwasserfließgeschwindigkeiten in grundwasserleitenden und -stauenden Schichten Durchlässigkeit Fließgeschwindigkeit [m/s] stark durchlässig > 10-4 durchlässig gering durchlässig sehr gering durchlässig < 10-8 Tabelle 2: Durchlässigkeit von Lockergesteinen nach DIN VERSUCH 1 SEITE 6

7 1.2. Aufgabenstellung Experimentelle Ermittlung der Korngrößenverteilung einer Sandprobe (Feinboden, 5 < d < 800 mm) durch Trockensiebung Versuchsdurchführung - Herstellung einer repräsentativen Probe für den Einsatz in die Siebmaschine mittels Probenteiler nach Vorschrift, - Siebung von 3 Proben mittels erforderlichen Siebsatzes nach DIN (0,063-1 mm) nach Vorschrift (Ermittlung der optimalen Siebparameter) Versuchsauswertung - Darstellung der Korngrößenanalyse als Summendurchgangskurve im einfach logarithmischen Körnungsnetz nach DIN 18123, - Ermittlung der Mengenanteile an Grob-, Mittel- und Feinsand sowie an Rückstand (Schluff), - Ermittlung der Korndurchmesser d 10, d 30, d 50 und d 60, - Berechnung des K f - Wertes der Gesamtfraktion nach HAZEN/HARTGE und HÖLTING, - Zuordnung zu den Wasserdurchlässigkeitskategorien Aquifer und Aquiclude nach Tabelle 1, - Einschätzung der Bodendurchlässigkeit nach DIN nach Tabelle 2, - Berechnung und Interpretation des Ungleichförmigkeitsgrades U. - Kurze Diskussion der aus der bestimmten Bodenart resultierenden Eigenschaften bzgl. Wasserhaushalt, Deponietechnik, Durchlässigkeit für Schadstoffe, Eignung als Pflanzenstandort. Die Ergebnisse sind tabellarisch zusammenzufassen Experimentelle Ermittlung der Korngrößenverteilung einer vorbehandelten sandarmen Feinbodenprobe (Löß o. Ä..) durch Sedimentationsanalyse nach KÖHN und Laserbeugungsspektroskopie Versuchsdurchführung - Ausführung der Messung mit der Pipettenapparatur nach KÖHN nach Vorschrift, - Ausführung der Messung im Partikelanalyzer nach Vorschrift Versuchsauswertung - Darstellung der Korngrößenverteilung als Summendurchgangskurve im einfach logarithmischen Körnungsnetz nach DIN 18123, - Ermittlung der Mengenanteile an Feinsand und Schluff, - Ermittlung der Korndurchmesser d 10, d 30, d 50 und d 60, - Zuordnung der K f - Werte zu den Fraktionen lt. Tabelle 1 - Berechnung des K f - Wertes der Gesamtfraktion nach HAZEN/HARTGE und HÖLTING, - Zuordnung zu den Wasserdurchlässigkeitskategorien Aquifer und Aquiclude nach Ta- VERSUCH 1 SEITE 7

8 belle 1, - Einschätzung der Bodendurchlässigkeit nach DIN nach Tabelle 2, - Berechnung und Interpretation des Ungleichförmigkeitsgrades U. Die Ergebnisse sind tabellarisch zusammenzufassen. Die Ergebnisse beider Methoden sind miteinander zu vergleichen. Wann würden Sie welche Methode bevorzugen? 1.3. Literatur KÜMMEL, PAPP: Umweltchemie, Dt. Verl. f. Grundstoffindustrie, Leipzig 1990 KRETZSCHMAR: Kulturtechn. - Bodenkundliches Praktikum, 4.Aufl 1994., Uni Kiel SCHMIDT: Deponietechnik, Vogel Verlag, Würzburg 1992 HÖLTING; Hydrogeologie, 4. Auflage 1992, Enke Verlag Bodenkundliche Kartieranleitung: Deutsche Bodenkundliche Gesellschaft (Hrsg.)1982 VERSUCH 1 SEITE 8