Wichtiger Sicherheitshinweis: Dies ist ein archivierter Fachtext, kein aktuelles Labor- oder Feldhandbuch. Die beschriebenen Verfahren umfassen Quecksilber, offenes Feuer, Erhitzen, Paraffin und andere Geräte und Materialien, die heute gefährlich oder inakzeptabel sein können. Wenden Sie sie nicht ohne gültige Normen, Risikobewertung, Sicherheitsdatenblätter, entsprechende Labor- und Fachüberwachung an. Der Text ist nicht Teil des aktuellen Produkt- und Dienstleistungsangebots von Savo Kusić.
Bestimmung der Bodendichte
Zur Bestimmung der Bodendichte gibt es mehrere Verfahren. Beschrieben werden die am häufigsten verwendeten Methoden: das Zylinderverfahren, das Eintauchen der Probe in Wasser, das Eintauchen der Probe in Quecksilber und das Sandverfahren.
Verfahren mit einem Zylinder
Dieses Verfahren ist am weitesten verbreitet und wird im Feld sowie im Labor durchgeführt. Es wird bei bindigen und nichtbindigen Böden angewandt.
Ein Metallzylinder mit bekanntem Volumen und geschärfter Unterkante wird in den Boden oder in eine ungestörte oder künstlich verdichtete Probe gedrückt, sodass dieser vollständig mit Bodenmasse gefüllt ist. Danach wird die Oberfläche der Probe mit einem Messer an der Ober- und Unterkante des Zylinders eingeebnet und sofort mit Metalldeckeln verschlossen und auf einer Waage gewogen.
Wenn W das Gewicht der Probe mit Zylinder und Kappen ist, ist W0 das Gewicht des Zylinders selbst mit Kappen und V das Volumen des Zylinders
die Bodendichte γ beträgt:
γ = (W - WP)/V
Eintauchen der Probe in Wasser
Dieses Verfahren beruht auf der physikalischen Eigenschaft, dass das Volumen eines in Wasser eingetauchten Körpers dem Volumen des verdrängten Wassers entspricht. Es wird nur bei bindigen Böden verwendet, wenn keine Probe mit regelmäßiger geometrischer Form gewonnen werden kann.
Aus dem ungestörten Boden oder einer größeren Probe wird ein beliebig geformtes Probenstück entnommen und sein Gewicht W im natürlichen Zustand bestimmt. Anschließend wird die Probe mit geschmolzenem Paraffin umhüllt, das nicht überhitzt, sondern nur bis zum Schmelzen erwärmt werden darf. Eine 1-2 mm dicke Paraffinschicht soll die gesamte Probe vollständig bedecken. Danach wird die paraffinierte Probe gewogen und das Gewicht W’ ermittelt. Das Gewicht des Paraffins beträgt W’ – W.
Das Paraffinvolumen VP ergibt sich aus der Formel: VP * γP = W’ – W,
Dabei ist γP das Volumengewicht des Paraffins, das bekannt ist und γP = 0,892 p/cm3 beträgt.
Aus der obigen Gleichung ergibt sich: VP = (W’ – W)/0,892 [cm3].
Sl. 1. Bestimmung des Volumengewichts des Bodens durch Eintauchen der Probe in Wasser
Anschließend wird die mit Paraffin umwickelte Probe mit einem dünnen Seidenfaden auf eine Waage gehängt (Abb. 1), die Waage ins Gleichgewicht gebracht und sofort ein Gefäß mit destilliertem Wasser unter die Probe gezogen, sodass die gesamte Probe in Wasser getaucht wird. Da durch den scheinbaren Gewichtsverlust der Probe im Wasser das Gleichgewicht auf der Waage gestört ist, wird es durch Entfernen der Gewichte wiederhergestellt, so dass man das Gewicht der Probe mit im Wasser eingetauchtem Paraffin W erhält. Die Gewichtsdifferenz der Probe mit Paraffin im nicht eingetauchten und im eingetauchten Zustand ergibt das Gewicht des verdrängten Wassers, d. h. wenn das Volumengewicht des Wassers YW = 1,00 ist, ist das Volumen des verdrängten Wassers Vw
Vom Volumen Vw subtrahieren wir das Paraffinvolumen VP und erhalten das Volumen der Probe.
Das Volumengewicht des Bodens beträgt: γ = W/(Vw – VP)*m
wobei m der Korrekturkoeffizient aufgrund der Differenz der Wassertemperatur ist, da Y = 1,0 für die Wassertemperatur bei 4 °C: m = γw,T / γw,4oC.
Eintauchen der Probe in Quecksilber
Dieses Verfahren wird bei bindigen Böden angewandt, wenn keine Probe mit regelmäßiger geometrischer Form entnommen werden kann, etwa bei der Bestimmung der Schrumpfgrenze des Bodens.
Sl. 2. Bestimmung des Volumengewichts des Bodens durch Eintauchen der Probe in Quecksilber
Die Probe wird in ein vollständig mit Quecksilber gefülltes Gefäß eingetaucht (Abb. 2) und mithilfe einer Glasplatte mit dünnen Metallstiften vollständig untergetaucht. Das verdrängte Quecksilber läuft in ein größeres Gefäß über, wird aufgefangen und gewogen. Wenn W das Gewicht der Probe, Wz das Gewicht des verdrängten Quecksilbers, γz das Volumengewicht des Quecksilbers und Vz=V das Volumen des verdrängten Quecksilbers ist, das dem Probenvolumen entspricht;
Vz * γz = Wz * Vz = Wz/ γz
dann beträgt die Schüttdichte des Bodens:
γ =W*γz /Wz.
Sandverfahren
Dieser Test wird vor Ort durchgeführt und am häufigsten auf ungebundene Böden, Kies, Kiessand, Moränenmaterial und in anderen Fällen angewendet, in denen die Entnahme ungestörter Proben mit Zylindern nicht möglich ist. Das Prinzip dieses Verfahrens besteht darin, ein Loch in den Boden zu graben und es anschließend mit normalem Sand mit bekanntem Volumengewicht zu füllen, anhand dessen das Volumen des Lochs bestimmt wird. Das Volumengewicht des Bodens wird aus dem Gewicht der ausgehobenen Masse und dem Volumen des Lochs ermittelt.
Die Oberfläche des Bodens, dessen Volumengewicht bestimmt werden soll, wird so eingeebnet, dass sie horizontal ist, dann wird darauf eine etwa 40 x 40 cm große Weißblechplatte (Abb. 3) gelegt, auf der in der Mitte eine Schablone mit einem Durchmesser von Ø = 20 cm und einer Dicke von 5 mm ausgeschnitten ist, um ein Loch in den Boden zu graben. Das Blech wird flach auf den Boden gelegt und mit Heringen befestigt. Ein Loch mit einem Durchmesser von 20 cm und einer Tiefe von etwa 20 cm wird mit einem Handwerkzeug (Messer, Spachtel, Löffel, Meißel) durch die Öffnung der Schablone, vorzugsweise mit senkrechten Wänden, jedoch nicht außerhalb der Schablone, gegraben und gut gereinigt. Das gesamte ausgehobene Material wird auf die Platte gelegt und sofort nach dem Graben, solange es noch seine natürliche Feuchtigkeit hat, auf einer Waage gewogen und sein Gewicht W bestimmt. Um später die natürliche Luftfeuchtigkeit zu bestimmen, wird die Probe in eine Blechdose mit Deckel gelegt und nach Abschluss der Feldarbeit in den Trockenraum gebracht. Unmittelbar danach wird trockener Normalsand in das ausgehobene Loch geschüttet, dessen Volumengewicht beträgt_γd_ermittelt durch Matching, d. h. aus einem zuvor durchgeführten Laborexperiment, indem Sand durch denselben Trichter gegossen und aus derselben Höhe fallen gelassen wird_h_sowie mit dem Feldtest.
Sl. 3. Bestimmung des Volumengewichts des Bodens mit dem Sandtest
Bevor Sie mit dem Test beginnen, messen Sie das Gewicht des normalen Sandes im Becherglas. Füllen Sie dann das Loch im Boden mit diesem Sand bis zur oberen Oberfläche des Weißblechs, das mit einem 40 cm langen Stahllineal nivelliert wird, und messen Sie den Rest des Sandes im Becherglas, sodass Sie das genaue Gewicht Wd des trockenen normalen Sandes im Loch bis zur oberen Oberfläche des Weißblechs erhalten. Das Volumen Vd des ausgehobenen Lochs bis zur Oberseite des Weißblechs wird anhand der Formel Vd = Wd/γd. bestimmt.
Das Volumen V des Lochs im Boden erhält man durch Subtraktion des Volumens v der Öffnung der Blechschablone:
Das Volumengewicht des Bodens γ beträgt: γ = W/V, wobei W das Gewicht des ausgehobenen Bodens aus dem Loch ist, das unmittelbar nach dem Aushub gemessen wird. Es wird darauf hingewiesen, dass anstelle von Sand Gips, Öl oder Kaltasphalt verwendet werden, die bei nasser Witterung weniger empfindlich sind. Darüber hinaus gibt es auch spezielle Geräte für eine einfachere und schnellere Arbeit an der Probe mit Sand.
Ungefähre Werte der Bodenvolumengewichte sind in der Tabelle 1 angegeben, mit dem Hinweis, dass bei geomechanischen Analysen jeweils das Bodenvolumengewicht experimentell im Labor oder im Feld ermittelt werden sollte.
Bestimmung der Bodenfeuchtigkeit
Die Bodenfeuchtigkeit kann auf verschiedene Arten bestimmt werden: durch die Labormethode mit einem elektrischen Trockenschrank, durch Feldmethoden mit Trocknung über offenem Feuer, mithilfe von Karbid, durch Messung unter Wasser oder mit einem Luftpyknometer. Hier werden nur die ersten beiden Methoden beschrieben, die vor Ort historisch am häufigsten angewandt wurden.
Labormethode mit einem elektrischen Trockenschrank
Diese Methode gilt für alle Bodenarten als die zuverlässigste und am weitesten verbreitete. Ein Bodenstück aus einer ungestörten Probe wird zwischen zwei konkave Uhrgläser gelegt, mit einer Metallklammer befestigt und zusammen auf einer Analysenwaage gewogen. Anschließend wird es in einem elektrischen Trockenschrank bei 105°C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet (Abb. 4). Die Temperaturschwankung beim Trocknen soll nicht größer als ±2°C sein, da bei einer niedrigeren Temperatur die Trocknung unvollständig bleiben kann und bei einer höheren Temperatur organische Bestandteile der Probe verbrennen können. Die ungefähre Trocknungsdauer der zwischen Uhrgläsern eingespannten Probe beträgt für Sand etwa 6 Stunden und für Ton etwa 12 Stunden. Nach dem Trocknen wird die eingespannte Probe zum Abkühlen auf Raumtemperatur in einen Exsikkator gestellt und anschließend erneut gewogen.
Abb. 4. Trocknen einer Probe zwischen Uhrgläsern mit einer Klemme
Wenn W das Gewicht der Probe bei natürlichem Feuchtegehalt zusammen mit Uhrgläsern und Klemme, Ws das Gewicht der trockenen Probe mit Uhrgläsern und Klemme und Wt das Gewicht der Uhrgläser und Klemme ist, entspricht die Bodenfeuchtigkeit w nach Atterbergs Definition dem Gewicht des Wassers geteilt durch das Trockengewicht des Bodens, also: w = W-Ws / Ws-Wt * 100 [%].
Bestimmung der Bodenporosität und des Porositätskoeffizienten
Der Test wird an einer ungestörten Probe durchgeführt, sofern deren Volumen im ungestörten Zustand bestimmt werden kann.
Wir drücken einen Metallzylinder mit bekanntem Volumen in den ungestörten Boden oder in eine Probe mit größeren Abmessungen, ebnen die Oberfläche der Probe mit den Kanten des Zylinders ein und lassen sie bei 105°C trocknen, bis das Gewicht konstant ist, lassen sie dann auf Raumtemperatur abkühlen und wiegen sie erneut zusammen mit dem Zylinder auf der Waage.
Wenn V das Innenvolumen des Zylinders ist, Vm das Volumen der nicht porösen Bodenfeststoffe, Wd das Trockengewicht der Probe, γs das Volumengewicht der Feststoffpartikel, ist die Bodenporosität n
Das Volumen Vm wird anhand des Trockengewichts der Probe Wd bestimmt:
das heißt, in Prozent des gesamten Bodenvolumens
Da γd = Wd/V, d. h. das trockene Volumengewicht des Bodens, kann es angegeben werden
n = 100* (1 – γd/ γs) [%].
Der Porositätskoeffizient ergibt sich aus der Form e = n/(1-n).
Nutzen Sie für die Planung, Qualitätskontrolle oder Ausführung der Arbeiten aktuelle Vorschriften, standardisierte Prüfmethoden und ein autorisiertes Labor. Dieser Text wird als historische Bildungsressource aufbewahrt.