Lagerungsdichte

Der Begriff Lagerungsdichte wird sowohl in der Ingenieurgeologie als auch in der Bodenkunde verwendet. Dabei handelt es sich beides Mal um Kenngrößen des Bodens, jedoch ist in der Ingenieurgeologie der Grad der Verdichtung des Bodens gemeint, während in der Bodenkunde schlicht die Dichte des Bodens gemeint ist. Es spielt in letzterem Fall also keine Rolle, ob beispielsweise eine hohe Dichte durch ein Substrat mit hoher Dichte oder durch eine hohe Komprimierung der Bodenmatrix bedingt ist.

Ingenieurgeologie

Die Lagerungsdichte bindiger und nicht bindiger Böden gibt hier an, wie stark verdichtet ein Boden ist und wie groß sein Porengehalt ist. Die Wichte (feucht oder trocken) hängt von der Lagerungsdichte ab. Die Lagerungsdichte D wird hier in genormten Versuchen ermittelt.

Definition

Sie ist definiert als:

D={\frac {\max n-n}{\max n-\min n}}={\frac {\rho _{\mathrm {d} }-\min \rho _{\mathrm {d} }}{\max \rho _{\mathrm {d} }-\min \rho _{\mathrm {d} }}}

wobei:

n = Porenanteil der Bodenprobe
max n = Porenanteil bei lockerster Lagerung
min n = Porenanteil bei dichtester Lagerung
ρ_d = Trockendichte
max ρ_d = Dichte bei dichtester Lagerung
min ρ_d = Dichte bei lockerster Lagerung

Der Porenanteil lässt sich aus der Porosität des Materials ermitteln.

Ermittlung der Lagerungsdichte nichtbindiger Böden

Die DIN 18126 legt Versuchsdurchführungen zur Ermittlung der Grenzen

„lockerste“ Lagerung (n_max)
„dichteste“ Lagerung (n_min)

nicht bindiger Böden fest. Diese kommen den natürlichen Verhältnissen nahe. Bei lockerster Lagerung erreicht der Porenanteil seinen maximalen Wert.

Ermittlung der Lagerungsdichte bindiger Böden

Die Lagerungsdichte bindiger Böden wird durch die Verdichtung bei Belastung erhöht. Der Verdichtungserfolg hängt ab von:

Kornverteilung (Kornzusammensetzung)
Wassergehalt
Verdichtungsleistung
Verdichtungsarbeit

Beispiele

trockener, fester, grobstückiger Ton → keine Verdichtung möglich
nahezu wassergesättigter breiiger Ton → keine Verdichtung möglich

Die Bestimmung des Wassergehalts und der Kornverteilung sind in DIN 18121, DIN 18123-T4 und DIN 18123-T5 genormt.

Proctor-Versuch

Auch die Verdichtungsarbeit im Proctor-Versuch ist in DIN 18127 genormt damit vergleichbare Ergebnisse erzielt werden.

der Proctor-Versuch besteht aus 5 Einzelversuchen mit jeweils erhöhtem Wassergehalt
für jeden Einzelversuch werden die Rohdichte und die Trockendichte gemessen
dann werden Trockendichten in Abhängigkeit vom zugehörigen Wassergehalt aufgetragen
der Scheitelpunkt der Kurve ergibt die Proctordichte
daraus folgt der optimale Wassergehalt für die Verdichtung.

Bodenkunde

In der Bodenkunde ist die Lagerungsdichte die Dichte des trockenen Bodens. Da eine höhere Porosität durch eine höhere Dichte des Feststoffanteils ausgeglichen werden kann, ist sie, im Gegensatz zur Lagerungsdichte in der Ingenieurgeologie, nur mittelbar von der Porosität abhängig. Sie wird an der ofentrockenen Bodenprobe ermittelt, das heißt, nachdem die Bodenprobe bei 105 °C getrocknet wurde (gemäß DIN 19683, Blatt 4).[1]

Definition

\rho _{B}={\frac {m_{f}}{V_{g}}}

mit

m_f = Masse des getrockneten Bodens,
V_g = Gesamtvolumen[2]

Weiteres

Möchte man hingegen die Dichte des feuchten Bodens angeben, zum Beispiel, um durch Differenzwägung den gravimetrischen Bodenwassergehalt zu bestimmen,[3] ist der Begriff Rohdichte[2] üblich. Die Dichte der Festsubstanz ( $\rho _{f}$ ) ist üblicherweise nahe 2,65 g·cm⁻³, der Dichte von Quarz, das das häufigste Mineral in Böden darstellt. Lediglich basische magmatische Gesteine und deren Minerale können Dichten über 2,7 g·cm⁻³ aufweisen.[4] Organische Substanz hat eine Dichte von 1,2 – 1,4 g·cm⁻³.[5] Übliche Werte für die Lagerungsdichte in [g·cm⁻³] sind:[6]

Sandböden	1,67 - 1,19
Lehmböden	1,96 - 1,19
Schluffböden	1,53 - 1,19
Tonböden	1,32 - 0,92
organ. Böden	0,48 - 0,12

Unter Kenntnis der Lagerungsdichte und der Dichte der Festsubstanz lässt sich die Porosität (ε) und die Porenziffer des Bodens berechnen.[2]

Siehe auch

Bodenmechanik

Einzelnachweise und Anmerkungen

http://www.soil.tu-bs.de/lehre/Skripte/2013.Skript.Bodenphysik.pdf
F. Scheffer, P. Schachtschabel, neu bearbeitet und erweitert von H.-P. Blume, G. W. Brümmer, U. Schwertmann, R. Horn, I. Kögel-Knabner, K. Stahr, K. Auerswald, L. Beyer, A. Hartmann, N. Litz, A. Scheinost, H. Stanjek, G. Welp, B.-M. Wilke, Lehrbuch der Bodenkunde, 15. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, 2002, ISBN 3-8274-1324-9, S. 163f
Der Bodenwassergehalt wird tatsächlich fast ausschließlich als gravimetrischer Bodenwassergehalt über Differenzwägung ermittelt
H. Schumann, Einführung in die Gesteinswelt, 5. Auflage, Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen 1975, ISBN 978-3525425039
R. Heinonen, Das Volumengewicht als Kennzeichen der „normalen“ Bodenstruktur, Maataloustieteellinen Aikakauskirja (Z. Landwirtsch.-wiss. Ges. Finnland) 32, 81–87 (1960)
K. H. Hartge und R. Horn, Einführung in die Bodenphysik, 2. Auflage, Enke, Stuttgart, 1991, ISBN 3-432-89682-4

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[1] ttp://www.soil.tu-bs.de/lehre/Skripte/2013.Skript.Bodenphysik.pdf

[Scheffer/Schachtschabel-2] F. Scheffer, P. Schachtschabel, neu bearbeitet und erweitert von H.-P. Blume, G. W. Brümmer, U. Schwertmann, R. Horn, I. Kögel-Knabner, K. Stahr, K. Auerswald, L. Beyer, A. Hartmann, N. Litz, A. Scheinost, H. Stanjek, G. Welp, B.-M. Wilke, Lehrbuch der Bodenkunde, 15. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, 2002, ISBN 3-8274-1324-9, S. 163f

[3] Der Bodenwassergehalt wird tatsächlich fast ausschließlich als gravimetrischer Bodenwassergehalt über Differenzwägung ermittelt

[4] H. Schumann, Einführung in die Gesteinswelt, 5. Auflage, Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen 1975, ISBN 978-3525425039

[5] R. Heinonen, Das Volumengewicht als Kennzeichen der „normalen“ Bodenstruktur, Maataloustieteellinen Aikakauskirja (Z. Landwirtsch.-wiss. Ges. Finnland) 32, 81–87 (1960)

[6] K. H. Hartge und R. Horn, Einführung in die Bodenphysik, 2. Auflage, Enke, Stuttgart, 1991, ISBN 3-432-89682-4