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79 Als Berechnungsgrundlage der Lagerungsdichte und Porengrößenverteilung wurde das Volumen der einzelnen Bodenzylinder indirekt über das komplementäre Innen-volumen der Stechzylinder, welche die Bodenproben umfassen, berechnet. Um die Genauigkeit der Ergebnisse zu erhöhen, wurde ein neues Messprotokoll entwickelt.28 Die Abmessung der Stechzylindermaße erfolgte mit Hilfe einer elektronischen Schieb-lehre. Zylinderhöhe und Wandstärke wurden jeweils an zwei Punkten pro Stech-zylinder gemessen. Da die Zylindergrundflächen wegen Produktionsungenauigkeiten und der Schlagbeanspruchung bei der Probenahme nicht kreisrund, sondern elliptisch waren, wurden die minimalen und maximalen Außendurchmesser29 der Kreisflächen bestimmt und das Zylinderinnenvolumen mit Hilfe folgender Formel für elliptische Zylinder berechnet:
∗ ∗ ∗ ℎ (1)
mit
VZ = Zylinderinnenvolumen [mm3]
dmax = maximaler Außendurchmesser [mm]
dmin = minimaler Außendurchmesser [mm]
WZ = gemittelte Wandstärke des Zylinders [mm]
hZ = gemittelte Zylinderhöhe [mm]
Die Lagerungsdichte ρB des Bodens wurde aus dem Quotienten aus Trockenmasse, welche nach 24-stündiger Ofentrocknung der Bodenproben bei 105°C und Wägung ermittelt wurde, und Volumen des Bodenzylinders in der Einheit g cm-3 berechnet (Blume et al., 2009).
den jeweiligen Rückegassen Bodenproben aus zwei Gruben entnommen. Für alle anderen Versuchsfaktoren wurden Bodenproben aus jeweils drei Gruben entnommen.
28 Eine exakte Bestimmung der einzelnen Zylindermaße war notwendig, da das Stechzylinderinnenvolumen (d.h. Gesamtbodenvolumen) die Bezugsgröße für den volumetrischen Wassergehalt ist und die darauf aufbauende Berechnung der Porengrößenverteilung entsprechend stark von den gemessenen Zylindermaßen beeinflusst wird.
29 Mit einer Schieblehre lässt sich der Innendurchmesser eines Zylinders aus sterischen Gründen nicht genau bestimmen, weshalb der Innendurchmesser durch Abzug der doppelten Wandstärke vom Außendurchmesser berechnet wurde.
80 Die Porengrößenverteilung der ungestört entnommenen Bodenproben wurde anhand ihrer Wasserretentionsfunktionen berechnet (s.u.). Die Wasserretentionsfunktionen der Bodenproben ergaben sich aus den Bodenwassergehalten bei schrittweiser Entwässerung (Methodik in Anlehnung an Hartge und Horn, 2009). Bei allen Arbeits-schritten befanden sich die Bodenproben in den jeweiligen Stechzylindern aus Stahl, in denen sie entnommen wurden. Vor der Entwässerung wurden die Bodenproben zunächst jeweils an der Unterseite mit einer von einem Gummi gehaltenen Gaze mit 10 µm Maschenweite bespannt und dann auf Sandbädern (Abbildung 8 B) kapillar aufgesättigt.
Um eine möglichst vollständige Aufsättigung zu gewährleisten, wurden alle Boden-proben vor der Entwässerung schrittweise zunächst für drei Tage auf -30 hPa, dann für zwei Tage auf -10 hPa und daraufhin mit einem flachen Wasserüberstand (etwa 2mm über der Zylinderunterkante) für 10 Tage aufgesättigt. Direkt vor Beginn der Entwässerung wurde das Wasser in den Sandbädern innerhalb von ca. 2 h bis zur Zylinderoberkante angestaut30 und dann wieder langsam abgelassen. Damit sollte die maximal mögliche Wassersättigung der Bodenproben erreicht werden.31
Die nachfolgende Entwässerung der Bodenproben erfolgte bei den Unterdruckstufen -10 und -30 hPa in Anlehnung an Blume et al. (2011) auf Sandbädern (Abbildung 8 B).
Der Abstand zwischen der Hälfte der Höhe der Bodenzylinder, welche für die Ent-wässerung auf der Sandschicht platziert wurden, und der Auslassunterkante betrug beim oberen Auslass 10 cm und beim unteren Auslass 30 cm. Diese Höhendifferenz entspricht beim Öffnen der jeweiligen Auslasshähne und einer Drainage des Sandbads auf entsprechender Höhe Unterdrücken von -10 und -30 hPa (in Bezug auf die halbe Zylinderhöhe). Im Inneren der Sandbäder waren die Öffnungen der Auslässe mit hori-zontalen, perforierten und mit Gaze umspannten Aluminiumrohren verlängert (siehe Sandbad in Bauphase Abbildung 8 A). Durch diese durchlässigen Aluminiumrohre
30 Beim Anstauen erfolgte der Zufluss des Wassers aus einem höher positionierten Wassercontainer.
Die Flussraten konnten nur ungenau durch manuelle Ventilregelung geregelt werden, weshalb die Dauer der Aufsättigung starken Schwankungen unterlegen war.
31 Vorversuche hatten ergeben, dass das in der Laborpraxis übliche einschrittige 3-5-tägige Anstauen nicht ausreichte, um die Bodenproben aus dem Versuchsgebiet ausreichend aufzusättigen. Denn bei nachfolgendem Anlegen von -10 hPa Unterdruck nahm ein großer Anteil der praxisüblich aufgesättigten Bodenproben trotz des Unterdrucks an Gewicht zu. Da gleichzeitig keine Quellung sichtbar war, war die Ursache für die nachträgliche Gewichtszunahme vermutlich eine aus unvollständiger Aufsättigung resultierende Wasseraufnahme.
81 sollte die Oberfläche der Auslässe vergrößert werden, um langfristig auch bei teil-weiser Verstopfung der Gaze stets eine ausreichende Drainage sicherzustellen. Zum Befüllen der Sandbäder mit Wasser wurde jeweils ein Kunststoffrohr senkrecht in einer Ecke installiert, dessen untere Öffnung in eine ca. 5 cm mächtige Kiesschicht hinein-ragt und mit Gaze ummantelt ist (Abbildung 8 A). Die Kiesschicht sollte beim Befüllen des Sandbads mit Leitungswasser eine schnelle und gleichmäßige Wasserverteilung gewährleisten.
Für die Unterdruckstufen -60, -150, -300 und -500 hPa wurden die Bodenproben auf keramische Platten verlegt (Abbildung 8 C). Die Entwässerung der Bodenproben erfolgte nach Blume et al. (2011) durch einen an die keramischen Platten angelegten Unterdruck, der von einer Vakuumpumpe erzeugt und mit zwei hintereinander geschal-teten Druckregelventilen anhand einer analogen Manometeranzeige manuell einge-stellt wurde.
Während des Entwässerungsvorgangs waren die Bodenproben auf den Sandbädern und keramischen Platten einzeln mit locker aufliegenden Metalldeckeln bedeckt. Die Sandbäder und die Kunststoffwannen mit den keramischen Platten wurden nach oben hin mit dicht schließenden Deckeln verschlossen. In die Deckel der Sandbäder waren Kunststoffschwämme eingeklebt, die Bodenproben auf den keramischen Platten wurden mit Spülschwämmen abgedeckt. Die Schwammmaterialien wurden in beiden Systemen permanent feucht gehalten. Mit dieser Maßnahmenkombination sollte die Luftfeuchtigkeit in der Umgebungsluft der Bodenproben während des gesamten Entwässerungsvorgangs konstant hochgehalten werden, um Verdunstungsverluste des Sandes bzw. der keramischen Platten und der Bodenproben zu minimieren.
Die Wassergehalte der einzelnen Bodenproben wurden bei jeder Unterdruckstufe bestimmt, indem die Bodenproben inklusive Gaze und Gummi jeweils bis zum Errei-chen des Gleichgewichtszustandes32 stichprobenhaft gewogen wurden. Vor dem Zurückstellen der Bodenproben auf die keramischen Platten wurden diese mit Hilfe von 1-3 Sprühstößen aus einer Sprühflasche leicht angefeuchtet, um den Wasser-kontakt zwischen keramischer Platte, Gaze und Bodenprobe wieder herzustellen.
32 Basierend auf Erfahrungswerten wurde von einem Gleichgewichtszustand ausgegangen, wenn die Abweichungen der Frischgewichte an drei aufeinander folgenden Tagen ≤0,1 g betrugen. Das entspricht im Mittel ca. 0,06-0,07% des Trockengewichts der Bodenproben aus dem Versuchsgebiet. Auf die exakten Trockengewichte der jeweiligen Bodenproben kann man sich im Moment der Wägung nicht beziehen, weil diese erst nach der pF Messung bestimmt werden können.
82 Abbildung 8: A) Sandbad im Bau mit Auslassventilen (rote Hähne) für eine Entwässerung auf -10 und -30 hPa. An Auslässen sind durchlöcherte und mit Gaze umspannte Aluminiumrohre befestigt. Das graue Kunststoffrohr hinten links im Sandbad dient dem Befüllen mit Wasser. B) mit Sand befülltes einsatzfertiges Sandbad mit dicht schließendem Deckel. Der Deckel ist mit Schaumstoff ausgekleidet, der während der Entwässerung von Bodenzylindern stets feucht gehalten wird. Auf der Sandschicht befindet sich eine Kunststoffgaze mit 50 µm Maschenweite. C) Gelbe Kunststoffwannen mit dicht schließenden Deckeln und Keramikplatten im Inneren für eine Entwässerung bei -60, -150, -300 und -500 hPa. Die Keramikplatten sind jeweils über einen Schlauch an das Verteilersystem einer Unterdruckpumpe angeschlossen. Der Unterdruck ist über zwei hintereinandergeschaltete Manometer regelbar. Konzeption bzw. Bau der Entwässerungssysteme: Malte Horvat, Markus Hammer-Weis, Margit Rode, Björn Krüger, Daniel Uteau und Stephan Peth.
A B
C
83 Nach dem Erreichen des Gleichgewichtszustands jeder Unterdruckstufe wurden die Bodenproben mit ihren Metalldeckeln in eine trockene Wanne transferiert, mit feuchten Tüchern bedeckt und anschließend deren Luftpermeabilität gemessen (Kapitel 4.9).
Währenddessen wurden die jeweils leeren Platten mit destilliertem Wasser gesättigt, um eine gleichmäßige Durchfeuchtung und damit eine konsistente Entwässerungs-leistung für die jeweils darauffolgende Unterdruckstufe sicherzustellen.
Vor dem Zurückstellen der Bodenproben wurde die vorherige Saugspannung erneut an die keramischen Platten angelegt. Sobald alles oberflächlich auf den keramischen Platten sichtbare Wasser eingezogen war, wurden die Unterseiten der Bodenproben wie oben beschrieben sprühbefeuchtet und auf die Platten gesetzt. Daraufhin wurde der Unterdruck langsam bis zum Sollwert der jeweils darauffolgenden Unterdruckstufe abgesenkt.
Von den bei den unterschiedlichen Unterdruckstufen ermittelten Feuchtmassen der Bodenproben wurden die Trockenmassen, welche nach abschließender 24-stündiger Ofentrocknung der Bodenproben bei 105°C und Wägung ermittelt wurden, abgezogen.
Da hitzebeständige Gazen und Gummis genutzt wurden, konnte die Ofentrocknung der Bodenproben mit den jeweils aufgezogenen Gazen und Gummis erfolgen. Damit wurden Bodenverluste minimiert. Das so erhaltene Gewicht des in den einzelnen Bodenproben enthaltenen Wassers wurde in Wasservolumen umgerechnet und dann als volumetrischer Wassergehalt ausgedrückt, indem es ins Verhältnis zum Volumen des Bodenzylinders (Volumenbestimmung s.o.) gesetzt wurde.
Der volumetrische Wassergehalt, der von einer Bodenprobe im Gleichgewichts-zustand gegen einen bestimmten Unterdruck gehalten wird, entspricht dem Gesamt-volumen an – im jeweiligen Druckzustand – wassergefüllten Poren. Die Äquivalentdurchmesser dieser wassergefüllten Poren sind kleiner oder gleich dem Äquivalentdurchmesser, dessen Kapillarkraft (bzw. Meniskenzugkraft) gemäß der Young-Laplace Gleichung dem jeweils angelegten Unterdruck entspricht (Hartge et al., 2014). Für die Berechnungen der Äquivalentdurchmesser mit der Young-Laplace Gleichung wurden die Bodenporen wie bei Blume et al. (2009) vereinfachend als kreis-runde Kapillaren angenommen. Zudem wurde von einer Oberflächenspannung von Wasser bei 20°C (0,0728 J m-2) und einer vollständigen Benetzbarkeit (Kontaktwinkel
=0°) der Poreninnenwände ausgegangen. Damit ergaben sich die in Tabelle 5 auf-gelisteten Wertepaare von Unterdruckstufe und Äquivalentporendurchmesser. Die Porengrößenverteilung wurde aus der Entwässerungskurve abgeleitet, indem die84 wassergefüllten Porenvolumen der unterschiedlichen Unterdruckstufen den korres-pondierenden Äquivalentdurchmessern zugeordnet und gemäß der in Tabelle 5 dargestellten Porengrößenklassifikation voneinander subtrahiert wurden.
Tabelle 5: Bei der Entwässerung verwendete Unterdruckstufen in hPa und damit korrespondierende maximale Äquivalentporendurchmesser wassergefüllter Poren (Näherungsangaben). Einteilung der Bodenporen in die Porengrößenklassen (Klassen der Äquivalentdurchmesser der Bodenporen) „weite Grobporen“ bzw. „Luftkapazität“, „enge Grobporen“, „Mittelporen“ und „Feinporen“ bzw. „Totwasser-gehalt“ sowie „Nutzbare Feldkapazität“ mit Bereichsgrenzen gemäß Blume et al. (2009).
Unterdruckstufe [hPa] 0 -10 -30 -60 -150 -300 -500 -15000 Äquivalentporendurchmesser
[µm] ∞ 300 100 50 20 10 6 0,2
Bereiche der Äquivalent-porendurchmesser
luft-gefüllter Poren [µm]
> 50 50-10 10-0,2 <0,2
Porengrößenklassen
Weite Grobporen bzw.
Luftkapazität
Enge
Grobporen Mittelporen Feinporen bzw.
Totwasser Nutzbare Feldkapazität
Das Gesamtporenvolumen wurde aus der Lagerungsdichte ρB der jeweiligen unge-störten Bodenprobe und der Dichte der Festsubstanz ρS des grubenspezifischen Bodenmaterials (Kapitel 4.3) berechnet.
Da der Anteil an Feinporen (<0,2 µm) nicht struktur-, sondern nur texturabhängig ist, konnten die gravimetrischen Wassergehalte bei pF 4,2 (15000 hPa) in gestörtem Bodenmaterial mit Hilfe eines Taupunktpotentiometers (WP4; METER Group, Inc., USA) bestimmt werden. Die Bodenaufbereitung erfolgte wie bei der in Kapitel 4.3 beschrieben Bestimmung der spezifischen Dichte. Aus den gravimetrischen Wasser-gehalten wurden die volumetrischen Wassergehalte durch Multiplikation mit der grubenspezifischen Lagerungsdichte berechnet.