Buedemstruktur
Ënner der Struktur vum Buedem versteet een d’Verdeelung vun der fester Phas an der Äeremass. Wéi bekannt, besteet de Buedem aus feste Partikelen an aus Poren, déi mat Waasser, Loft oder Waasserdamp gefëllt sinn, meeschtens deelweis mat Loft, deelweis mat Waasser. No der Verdeelung vun de feste Partikelen am Buedem gëtt seng Struktur bestëmmt. D’Strukture vum ongebonnene an vum gebonnene Buedem ënnerscheede sech wesentlech vuneneen.
Struktur vum ongebonnene Buedem
D’Struktur vum ongebonne Buedem formt sech ënner der Wierkung vun der Schwéierkraaft. Déi fest Partikele vun dësem Buedem si méi grouss a falen no ënnen, se setzen sech ënner der Wierkung vun der Schwéierkraaft of, während intermolekular Unzéiungskräften tëscht esou Partikelen entweder net bestinn oder nëmme ganz schwaach sinn a vun der Schwéierkraaft iwwerwonne ginn. Dofir leeë sech bei ongebonne Buedem déi fest Partikelen niefteneen a besetzen de fräie Raum tëscht de geluechte Partikelen (Abb. 1_a_). Wann d’Partikele vum ongebonne Buedem ongeféier ronn a gläich grouss sinn, wéi dat bei Sand mat gläichméisseger Zesummesetzung de Fall ka sinn, da kann d’Struktur dichtst sinn (Abb. 1_b_) oder dënnst (Abb. 1_c_), jee nodeem wéi d’Festpartikelen am Buedem ugeluecht sinn. Déi dichtst Struktur entsprécht der gréisstméiglecher Verdichtung vum ongebonne Buedem a seng Porositéit ass nmin=26%. Déi dënnst Struktur entsprécht der klengstméiglecher Verdichtung vum ongebonne Buedem a seng Porositéit ass nmax=48%. Esou huet zum Beispill lockere Dünensand n=47%.
Fig. 1 Struktur vum net verbonnenen Buedem
Wann de lockere Buedem Kären vu verschiddene Gréissten huet, sou datt méi kleng Partikelen d’Huelraim tëscht de méi groussen ausfëllen (Abb. 2), ass d’Porositéit vum Buedem däitlech méi kleng (n=20% an manner).
Abb. 2. Struktur vum ongebonne Buedem mat ënnerschiddlecher Korngréisst
Struktur vum gebonne Buedem
Bei gebonneem Buedem ass d’Struktur anescht wéi bei net gebonneem. Beim gebonne Buedem triede Kohäsiounskräften op, déi méi staark si wéi d’Gravitatiounskraaft vun de klengen Deelcher a se op de Kontaktflächene verbanne. Dofir falen dës Deelcher net der Rei no no ënnen, mee bleiwen uneneen an nieftenee festgehalen (Bild 3_a_), wouduerch eng ketten- a netzfërmeg Struktur entsteet (Bild 3_b_), eng flauscheg (Bild 3_c_) etc., déi als Strukture méi héijer Uerdnung bezeechent ginn. Sou Strukture hunn eng grouss Porositéit, déi bis 60-80% vun der Gesamtmass erreeche kann, wat bei net gebonneem Buedem net méiglech ass.
Fig. 3. Struktur vum gebonne Buedem
Porositéit an de Porositéitskoeffizient
Porositéit vum Buedem gëtt definéiert duerch d’Verhältnes vum Volumen vun de Poren zum Gesamtvolumen vum Buedem (Fig. 4).
Abb. 4. Porositéit an de Porositéitskoeffizient vum Buedem
Wann mir mam bezeechnen
- Vp = Volumen vun de Poren am Buedem
- Vm = Volumen vun de feste Partikelen
- V = dat ganzt Buedemvolumen,
d’Porositéit vum Buedem n ass per Definitioun
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
also a % vum gesamten Buedemvolumen
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
De Porositéitskoeffizient vum Buedem gëtt definéiert als de Verhältnes vum Volumen vun de Poren zum Volumen vun de feste Partikelen:
e = VP / Vm.
Aus der Formel fir d’Porositéit n hu mir:
nVP + nVm = VP, wouvun Vm = VP(1-n) / n.
Wann mir dëse Wäert an d’Formel fir e asetzen, kréie mir
e = n / (1-n).
Aus dëser Gleichung kréie mir
e - ne = n; n = e / (1 + e).
De Porositéitskoeffizient weist d’Dicht vum Buedem. Je méi grouss de Koeffizient e ass, ëm esou méi kleng ass d’Buedemdicht a vice versa. Wann e kompressibelen Buedem sech ënner Belaaschtung setzt, kann mat Hëllef vum Porositéitskoeffizient virum a no dem Setze d’Gréisst vum Setze Δ_h_ bestëmmt ginn.
Loosst eis eng Schicht kompressibele Buedem mat der Déckt h (Abb. 5_a_) betruechten. Wa mir dës Schicht belaaschten, da sëtzt se sech ëm d’Héicht Δ_h_, sou datt hir Déckt ënner der Belaaschtung op h1 ofhëlt. Deemno
Δ_h_ = h – h1.
Well sech d’Sazung vum kompriméierbare Buedem op Käschte vun de Poren ofspillt, well déi fest Partikelen praktesch net kompriméierbar sinn, an och d’Waasser, wann d’Pore vum Buedem dovun deelweis oder ganz gefëllt sinn, kann dës Sazung schematesch an der Fig. 5_b_ duergestallt ginn.
Abb. 5. Sëtzung Δh vun enger kompressibeler Buedemschicht mat der Déck h ënner Belaaschtung
Wa mir mat h0 déi virgestallt Héicht vun enger Schicht feste Partikelen ouni Poren bezeechnen, genannt reduzéiert Héicht, da kënne mir d’Sëtzung Δ_h_ am Verhältnis zur reduzéierter Héicht h0 duerch d’Relatioun ausdrécken:
Wann mir eng Buedemschicht betruechten mat enger Breet an enger Längt, déi gläich 1 sinn, da stellen d’Héichten h, h1 an h0 Volumener duer, an et ass
wou e de Porositéitskoeffizient virun, e1 no der Setzung ass. Aus dem Uewe genannte kritt ee d’Setzung
Δ_h_ = h0 (e-e1).
D’Siidlung kann a Relatioun zu der Héicht vun der Schicht h virun der Siidlung ausgedréckt ginn, wa mir de Wäert vun der reduzéierter Héicht h0 ersetze:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
well n = VP / V = VP / h_,_ wouvun VP = nh.
Doraus ergëtt sech
Bestëmmte Buedemarten hunn déi folgend duerchschnëttlech Wäerter vun der Porositéit n an dem Porositéitskoeffizient e:
Buedemfiichtegkeet
Aarte vu Waasser am Buedem
Waasser am Buedem erschéngt a Form vu Waasser an de Poren tëscht de feste Partikelen, dat sougenannt Porenwaasser, duerno als adsorbéiert Waasser op de feste Partikelen an als Konstitutiounswaasser.
Porenwaasser besteet aus fräiem Waasser tëscht de feste Partikelen, deem seng Beweegung no dem Darcy-Gesetz geschitt, dono aus Gravitatiounswaasser, dat sech ënner Wierkung vun der Schwéierkraaft vun uewen no ënne an all Richtungen beweegt, mee deem seng Beweegung net no dem Darcy-Gesetz geschitt, Kapillarwaasser, dat sech ënner Wierkung vun de Kapillarkräften beweegt, an aus Waasser vun der Uewerflächenspannung, dat duerch d’Uewerflächenspannung an de Wénkele tëscht de feste Buedempartikelen zeréckgehale gëtt an och Wénkel-Porenwaasser genannt gëtt. All dëst Waasser kann duerch Dréchnen vum Buedem bei enger Temperatur vu 110oC komplett ewechgeholl ginn.
Adsorbéiert Waasser ass dat, wat d’fest Partikele bedeckt, un déi et duerch molekular Kräften gebonnen ass. Dat ass den esou genannten Waasserfilm, deem seng Déckt sech tëscht 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, Milimikron ) beweegt. Den Afloss vum adsorbéierte Waasser bei méi groussen Deelercher ass onbedeitend; awer wéi méi kleng d’Deelercher sinn, ëm sou méi grouss ass säin Afloss, well déi allgemeng Uewerfläch vun de Partikelen zouhëlt an domat och d’Verhältnis vum adsorbéierte Waasser zu de feste Partikelen an enger Eenheet vum Buedemvolumen. Dëst Waasser kann nëmmen deelweis duerch Trockne bei 110oC ewechgeholl ginn.
Konstitutiounswaasser ass cheemesch an d’Kristaller vun de Mineraler vun de feste Buedemdeeler gebonnen. Dëst Waasser ass nëmme a ganz klenge Quantitéiten do an et kann net duerch d’Trocknung vum Buedem ewechgeholl ginn. Dofir kann dëst Waasser als Bestanddeel vun der fester Partikel ugesi ginn.
D’Waassermeng am Buedem
Per Definitioun ass de Waassergehalt am Buedem oder d’Buedemfiichtegkeet d’Verhältnis vum Gewiicht vum Waasser, dat am Buedem enthale ass, zum Gewiicht vu senge festen Bestanddeeler. Nom Waassergehalt am Buedem ënnerscheet een dräi Fäll: Buedem komplett mat Waasser gesättegt, Buedem deelweis mat Waasser gesättegt an Buedem komplett dréchen.
De Buedem komplett mat Waasser gesättegt
Wann mir mat n d’Porositéit vum Buedem, mat γs d’Volumengewiicht vun alle Partikelen, mat γw d’Volumengewiicht vum Waasser bezeechnen, da kann d’Sättegungsfiichtegkeet vum Buedem wZ duerch déi folgend Gläichung ausgedréckt ginn
De Buedem deelweis mat Waasser gesättegt
Wann mir mat Ww d’Gewiicht vum Waasser, dat am Buedem enthale ass, mat Wd d’Gewiicht vun de feste Deelercher, also d’dréchent Gewiicht vum Buedem, bezeechnen, dann ass d’Feuchtigkeit vum Buedem w
w = Ww / Wd , also a Prozenter vum dréche Buedemgewiicht: w = 100 Ww / Wd.
An dësem Fall kann d’Buedemfiichtegkeet duerch de Fiichtegkeetsgrad Sr ausgedréckt ginn, deen d’Verhältnis vum tatsächleche Gewiicht vum Waasser am Buedem zu deem Gewiicht vum Waasser am selwechte Buedem duerstellt, dat bestoe géif, wann all Poren mat Waasser gefëllt wieren, respektiv zum Gewiicht vum Waasser am gesättigte Buedem:
bzw. fir _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
D’Grenzwäerter fir de Fiichtegkeetsgrad sinn:
- fir ganz dréchent Buedem w = 0; Sr = 0
- fir komplett saturéiert Buedem w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Fig. 6. Buedemprobe deelweis mat Waasser saturéiert
De Sättigungsgrad (deen heiansdo och Sättigung oder Feuchtegrad genannt gëtt) gëtt nach ëmmer als Verhältnes vum Volumen vun de mat Waasser gefëllte Pore zum Gesamtvolumen vun de Pore ausgedréckt (Abb. 6):
Sr = V2 / V1
wou V2 d’Volumen vun de Pore ass, déi mat Waasser gefëllt sinn, V1 déi total Volumen vun de Pore, déi mat Waasser, Loft a Gasen gefëllt sinn. Wann w d’Fiichtegkeet vum Buedem a % vum dréchene Gewiicht vum Buedem Wd, ass, dann hu mir
V2 * γW = w Wd, wouduerch V2 = w Wd / γw.
Op där anerer Säit hu mir, datt V1 = V – Vd, also well Vd * γs = Wd, ass et
Vd = Wd / γs a V1 = V – Wd / γs.
Demno ass de Sättigungsgrad vum Buedem Sr
respektiv a Prozenter vum dréchene Gewiicht vum Buedem
De Buedem ass komplett dréchen
An dësem Fall ass w = 0. Dat ganzt Porenwaasser ass ewechgeholl ginn, während d’adsorbéiert Waasser nëmmen deelweis ewechgeholl gouf, dat heescht de Waasserfilm besteet nach ëmmer, awer seng Déck ass reduzéiert.