Lade Inhalt...

Laborpraktikum zu Bodenmechanik und Felsmechanik. Präparation und Untersuchung von Bodenproben

Praktikumsbericht / -arbeit 2014 23 Seiten

Geowissenschaften / Geographie - Geologie, Mineralogie, Bodenkunde

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Versuchsaufbau und Geräte
2.1 – Lagerungsdichte
2.2 – Zustandsgrenzen
2.3 – Wasseraufnahmefähigkeit
2.4 – Glühverlust
2.5 – Karbonatbestimmung

3. Versuchsdurchführung
3.1 – Lagerungsdichte
3.2 – Zustandsgrößen
3.3 – Wasseraufnahmefähigkeit
3.4 – Glühverlust
3.5 – Karbonatbestimmung

4. Messungen und Ergebnisse
4.1 – Lagerungsdichte
4.2 – Zustandsgrenzen
4.3 – Wasseraufnahmefähigkeit
4.4 – Glühverlust
4.5 – Karbonatbestimmung

5. Zusammenfassung und Interpretation
5.1 – Lagerungsdichte
5.2 – Zustandsgrenzen
5.3 – Wasseraufnahmefähigkeit
5.4 – Glühverlust
5.5 – Karbonatbestimmung

6. Abbildungsverzeichnis

7. Diagrammverzeichnis

8. Tabellenverzeichnis

1. Einleitung

In diesem Protokoll wird auf die Ergebnisse der unterschiedlichen labortechnischen Untersuchungen eingegangen, welche am 13. Dezember, 2014 im geotechnischen Labor der TFH Bochum durchgeführt wurden. Hierbei wurden unterschiedliche Sand- und Tonproben präpariert und anschließend einschlägig in genormten Verfahren behandelt und untersucht. Die Laborarbeiten und derer Auswertung umfassen hierbei die Ermittlung der Lagerungsdichte, Zustandsgrenzen (Fließgrenze, Ausrollgrenze), Wasseraufnahmefähigkeit, des Glühverlustes und Karbonatgehaltes. Ziel der Untersuchungen ist es Aussagen über die unterschiedlichen Proben zu machen und diese auf den Entnahmeort zu transferieren. Zu beachten ist die Tatsache, dass nicht alle Methoden auf alle Proben anwendbar sind, sondern die genormten Verfahren bestimmten probentypen zuzuordnen sind.

2. Versuchsaufbau und Geräte

2.1 – Lagerungsdichte

Bei diesem Versuch gilt es die Lagerungsdichte einer Bodenprobe, mit Hilfe genormter Utensilien, zu ermitteln. Die Hauptinstrumente für diesen Versuch bilden der Messzylinder, welcher Maße der Norm entsprechend besitzt und Anschlüsse für Schläuche aufweist. Zudem noch die Schlaggabel, welche für die eigentliche Durchführung benötigt wird. Zusätzliche Geräte sind eine Waage zur Gewichtsbestimmung der Probe, ein Trichter zur Ermöglichung der gering-dichtesten Lagerung, ein Lineal zur Oberflächenglättung und ein Anschluss an den Wasserkreislauf zur Unterdruckerzeugung.

Für den Versuch wurde der Trichter in den Messzylinder gehalten und anschließend mit der sandigen Probe befüllt. Unter kreisförmigen Bewegungen wird der Trichter angehoben und auf diese Weise wird die gering dichteste Lagerung simuliert. Überschüssiger Sand wird oben entfernt und so wird eine glatte Oberfläche geschaffen. Anschließend wird die Probe gewogen. Diese Prozedur erfolgt insgesamt viermal und der Mittelwert bildet die Basis für die abschließenden Rechnungen.

Abbildung: 1 – Versuchsaufbau zur Ermittlung der Lagerungsdichte / Quelle: Technische Universität Dresden (http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_bauingenieurwesen/geotechnik/grundbau/studium/bauingenieurwesen/bodenmechanik_und_grundbau_biw2_03/lehrmaterial/labor_feldversuche/dateien//Lagerungsdichten_locker.pdf, S. 1) [Zugriff: 22.12.2014]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2 – Zustandsgrenzen

Der nächste Teil des Praktikums galt der Bestimmung der Zustandsgrenzen. Hierfür lag eine Tonprobe vor, welche mit Wasser präpariert wurde. Für diese Methoden sind nicht viele Geräte und Materialien notwendig. Neben Keramikschälchen und dem Trockenschrank findet hier das Fließgrenzengerät nach Casagrande Einsatz, welches zur endgültigen Ermittlung der Fließgrenze benötigt wird. Dabei wird die Probe mit Wasser vermischt und mehrfach ausgestrichen bis sich eine zähe Konsistenz ergibt. Die Präparation erfolgt rein intuitiv und muss unter Umständen mehrfach durchgeführt werden, bis die gewünschte Konsistenz erreicht ist. Beim Fließgrenzengerät handelt es sich um ein streng genormtes Gerät, welches durch einen Kurbelmechanismus bedient wird. Die Schale aus einer Kupfer – Zink – Legierung wird bei jeder Umdrehung auf eine bestimmte Höhe angehoben und schlagartig fallen gelassen (siehe Abbildung: 2). Durch die Vibrationen soll die Furche im aufgetragenen Ton, nach einer festgelegten Anzahl an Schlägen, auf bis zu 1 cm schrumpfen. Der Wassergehalt spielt hierbei die entscheidende Rolle.

Abbildung: 2 – Fließgrenzengerät nach Casagrande / Quelle: Technische Universität Darmstadt (http://www.geotechnik.tu-darmstadt.de/media/institut_und_versuchsanstalt_fuer_geotechnik/studiumundlehre_1/musterloesungen/umweltgeotechnik_3/15_-_Labor_und_Feldversuche_12-05-02.pdf, S. 7) [Zugriff: 22.12.2014]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3 – Wasseraufnahmefähigkeit

Zur Ermittlung der Wasseraufnahmefähigkeit einer Probe wird zunächst ein feines Messröhrchen komplett mit Wasser befüllt und in die Horizontale eingehängt. Anschließend wird der passende Aufsatz noch mit Wasser aufgefüllt und am Anfang des Messrohrs platziert (siehe Abbildung: 3). Unter idealen Umständen sind beide Komponenten völlig blasenfrei. Präpariert wurden zum einen eine Feinsandprobe und eine schluffige Probe, welche auf exakt 1 g auf der Präzisionswaage aufgewogen wurden. Unter Messung der Zeit mit einer Stoppuhr kann die Wasseraufnahmefähigkeit innerhalb eines Zeitraums sowie die Aufnahme pro Sekunde ermittelt werden.

Abbildung: 3 – Annäherung des Aufbaus eines Wasseraufnahmegerätes / Quelle: Webseite (https://www.neubert-glas.de/laborglas/onlineshop/i_Enslin-Gerae_1221482156278-250x325/Wasseraufnahmegeraet.jpg) [Zugriff: 25.12.2014]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.4 – Glühverlust

Die Präparation der Proben für den Glühverlust beläuft sich auf dem Abwiegen der leeren Behälter sowie der Proben. Dieser Versuch gilt zur Bestimmung des Anteils an organischen Beimengungen. Diese gehen beim Glühen im Muffelofen bei etwa 650°C verloren.

2.5 – Karbonatbestimmung

Für diesen Versuch wird die Karbonatbestimmung mit Hilfe von Salzsäure und einem Gasometer durchgeführt. Dafür wird eine zuvor abgewogene Probe im Gasometer mit Salzsäure versetzt. Dieser Versuch basiert auf der Reaktion von Karbonat mit Salzsäure.

Das Ziel ist die Bestimmung des gesamten Anteils an Karbonat, bezogen auf die Trockenmasse des Bodens. Das bei der Reaktion freiwerdende Kohlendioxid wird bei der gasometrischen Kohlendioxidbestimmung, nach DIN 18129, im Gasometer bestimmt.

Abbildung: 4 – Genereller Aufbau des Gasometers / Quelle: Technische Universität Darmstadt (http://www.geotechnik.tu-darmstadt.de/media/institut_und_versuchsanstalt_fuer_geotechnik/studiumundlehre_1/musterloesungen/umweltgeotechnik_3/15_-_Labor_und_Feldversuche_12-05-02.pdf, S. 23) [Zugriff: 22.12.2014]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3. Versuchsdurchführung

3.1 – Lagerungsdichte

Nachdem die lockerste Lagerung der Sandprobe durch kreisförmige Bewegungen des Trichters erreicht wurde, wird Diese erneut, jedoch in drei Lagen in den Zylinder gegeben. Dabei wird auf jede Lage eine Schicht aus Wasser hinzugegeben. Diese dringt in den Porenraum ein und sorgt für Bewegungen des Sandes, sodass sich die Probe allmählich verdichtet. Durch den Anschluss an den Wasserkreislauf wird durch Schläuche ein Unterdruck hervorgerufen und das Wasser wird am Zylinderboden wieder abgesaugt, sodass am Ende lediglich die Probe verbleibt. Weiterhin wird durch eine Schlaggabel der Wasserfluss sowie die Sandbewegung im Porenraum begünstigt. Ermöglicht wurde es in diesem Versuch durch 25 Doppelschläge innerhalb kürzester Zeit. Dies verleiht dem Versuch auch den Namen ,,Schlaggabelmethode.´´ Die Probe befindet sich nun in der Phase der dichtesten Lagerung. Mit einem Deckel wird der Zylinder abschließend geschlossen welches eine Berechnung des verbleibenden Probenvolumens innerhalb des Zylinders ermöglicht. Der Versuch wird den Abmessungen aller relevanten Größen beendet.

3.2 – Zustandsgrößen

Zunächst wird ein Teil der Tonprobe abgewogen und in den Trockenschrank gegeben, um am Ende der Versuchsreihe den Wassergehalt zu ermitteln. Um die Ausrollgrenze bestimmen zu können wird ein Teil der Probe auf der Handfläche in 2 mm dicke Röllchen ausgerollt, verfaltet und wieder ausgerollt. Diese Prozedur wird solange wiederholt bis die Tonröllchen anfangen aufzureißen. Dann wird die Probe ebenfalls gewogen und in den Trockenschrank gegeben. Dieser Versuch wurde dreimal durchgeführt.

Um die Fließgrenze bestimmen zu können wurde die Probe zunächst mit Wasser versetzt bis sie eine lehmartige Konsistenz aufweist. Dann wurde sie auf die Kupfer-Zink-Schale nach Casagrande aufgestrichen und in der Mitte mit einer Furche versehen. Anschließend wird die Schale in die Apparatur eingehängt und unter Kurbelbewegungen bedient. Bei richtigem Wassergehalt wird durch das rhythmische Schlagen eine Bewegung erzeugt. Dadurch bewegt sich der Ton und die Furche schließt sich allmählich auf bis zu 1 cm. Dieser Versuch wurde insgesamt fünfmal, mit unterschiedlichen Wassergehalten und Schlagzahlen durchgeführt. Die Anzahl an Schlägen betrug abwertend 40-mal, 35-mal, 29-mal, 22-mal und 19-mal mal. Auch hierbei wurde ein Teil jeder Probe, am Ende des Versuchs abgewogen und in den Trockenschrank gegeben, dadurch lässt sich hinterher der Wassergehalt bestimmen.

3.3 – Wasseraufnahmefähigkeit

Die Durchführung dieses Versuchs ist simpel und selbsterklärend. Nachdem das Messröhrchen und der Aufsatz eingehangen und komplett (blasenfrei) mit Wasser aufgefüllt wurden, wird die zuvor um 1,0 g abgewogene Probe oben in den Aufsatz gegeben. Diese beginnt dann Wasser aufzunehmen, sodass sich am Ende der Apparatur eine kleine Luftblase bildet, welche als Anzeiger fungiert, um die aufgenommene Menge an Wasser zu bestimmen. Die Wasseraufnahmefähigkeit beider Proben (Feinsand, Schluff) wurde gegen die Zeit, beginnend bei 0,5 min, gemessen. Die nachfolgende Messung erfolgt nach der doppelten vergangenen Zeit der vorausgehenden Messung. Für den Feinsand endete die Versuchsreihe nach 8 min und für den Schluff nach 4 min.

3.4 – Glühverlust

Hierfür wurden insgesamt drei Proben mitsamt Behälter, bei zunächst 450°C in den Muffelofen gepackt, da bei besonders Organik reichen Proben oder Proben mit einem Kohleanteil ein Eigenpotenzial entsteht, welches die Temperatur deutlich höher treibt. Nach einer unbestimmten Zeitspanne, wenn bereits einiges verglüht ist, wird die Temperatur auf 650°C angehoben. Nach der Brennphase werden die Proben abschließend nachgewogen.

3.5 – Karbonatbestimmung

Die zuvor getrocknete, pulverisierte und abgewogene Probe wird im Gasentwicklungsgefäß mit der 33%igen Salzsäure versetzt. Das dabei entstehende Kohlendioxid wandert in das Aufnahmegefäß und verdrängt dort die Luft. Die äquivalent zum Kohlendioxid verdrängte Luft kann schließlich im Messzylinder gemessen werden. Dabei ist das richtige Handhaben der Ventile entscheidend, damit der Versuch erfolgreich abläuft. Sollte der Spiegel im linken Messzylinder niedriger fallen als auf der rechten Seite, so gilt der Versuch als gescheitert. Es wurde das verdrängte Luftvolumen 30 Sekunden nach Zugabe der Salzsäure und am Ende des Versuchs bestimmt. Für die weiteren Rechnungen wird das arithmetische Mittel beider Werte verwendet. Der Versuch wurde für zwei unterschiedliche Proben durchgeführt, wovon die erste Probe unbekannt ist. Für die zweite Probe wurde der Versuch dreimal durchgeführt, davon fällt der erste Versuch raus, da dieser scheiterte.

4. Messungen und Ergebnisse

4.1 – Lagerungsdichte

Zunächst gilt es das Volumen des Zylinders zu bestimmen. Hierfür wurden die Höhe (h) und der Durchmesser (d) gemessen.

h Zylinderhöhe [cm]

h = 11,35 cm

d Zylinderdurchmesser [cm]

d = 7,5 cm

Nach vorausgehender Formel ergibt sich ein Zylindervolumen von 501,43 cm³. Das Gewicht liegt bei 937,21 g. Das einfüllen der Probe in gering dichtester Lagerung wurde viermal durchgeführt.

Tabelle: 1 – Probengewicht aller vier Durchläufe / Quelle: Eigene Darstellung

Nach folgender Formel ergibt sich das arithmetische Mittel von 633,07 g für das Probengewicht:

Am Ende des Verdichtungsprozesses wurde der Zylinder mit einem Deckel geschlossen. Aus dem Volumen des Verschlusses und der Eindringtiefe in den Zylinder lässt sich die maximale Lagerungsdichte errechnen. Der Verschluss weist einen Durchmesser (d) von 7,5 cm und eine Höhe (h) von 1,5 cm auf. Das Volumen des zylinderförmigen Deckels beläuft sich auf 66,27 cm³. Da der Deckel nicht eben, auf der Probe im Zylinder liegt, wurde aus den beiden Verschlussenden das arithmetische Mittel errechnet. So ragte der Verschluss 0,7 cm und 0,35 cm aus dem Zylinder heraus. Daraus ergibt sich ein Eindringen des Deckels in den Zylinder, um 43,08 cm³ und dadurch eine Verdichtung der Probe um diesen Faktor.

Hieraus ergibt sich das Neuvolumen von 458,35 cm³. Damit lässt sich die maximale Lagerungsdichte [in g/cm³] nach folgender Formel berechnen:

arithmetisches Mittel der Probenmasse [in g]

= 633,07 g

Probenvolumen nach der Verdichtung [in cm³]

[...]

Details

Seiten
23
Jahr
2014
ISBN (eBook)
9783668198227
ISBN (Buch)
9783668198234
Dateigröße
830 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v320389
Institution / Hochschule
Technische Fachhochschule Georg Agricola für Rohstoff, Energie und Umwelt zu Bochum
Note
PV (Unbenotet)
Schlagworte
Laborpraktikum Präparation Untersuchung Bodenproben Lagerungsdichte Zustandsgrenzen Wasseraufnahmefähigkeit Glühverlust Karbonatbestimmung

Autor

Teilen

Zurück

Titel: Laborpraktikum zu Bodenmechanik und Felsmechanik. Präparation und Untersuchung von Bodenproben