Chemisch – physikalische Reaktionsweise vom

Alphasoil®
Chemisch – physikalische
Reaktionsweise vom Ionenaustausch
Wie funktioniert Alphasoil®-06 als Ionenaustauscher und wie wirkt es auf Schluff und
kolloidale Partikel während der Behandlung?
Unter einer kolloidalen Lösung versteht man eine Lösung,
in der die gelösten Stoffe in einer solchen Feinheit
vorliegen, daß sie durch Filtration nicht mehr getrennt
werden können.
Unter Silt auch Schluff versteht man einerseits unverfestigte
Feinböden, in der Regel klassischer Sedimente und
Sedimentgesteine, die zu mindestens 95 % aus Komponenten in
einer Korngröße von 0,002 mm bis 0,063 mm bestehen, bzw.
anderseits den Schluff/Siltanteil an einem Korngemisch und damit
auch dieses Korngrößeintervall selbst.
In diesem Abschnitt wird sich mit spezifischen Reaktionen zwischen Wasser und Bodenteilchen befasst.
Im Allgemeinen wird in der Bodenmechanik ein Unterschied zwischen zwei Wasserphänomenen gemacht,
zwischen sich bewegendem und statischem Wasser (verursacht durch Eindringung oder Einfluss der
Schwerkraft). Dieser Fakt ist von großem Nutzen um viele Reaktionen, die durch die Behandlung mit
Alphasoil®-06 ausgelöst werden, zu beschleunigen. Statisches Wasser, das sich unter
Schwerkrafteinwirkung nicht
bewegt, kann trotzdem nicht als völlig bewegungslos angesehen werden.
Allgemein ist die durch osmotische Kräfte oder Molekülbewegung verursachte Bewegung sehr gering.
Über eine lange Zeitspanne hinweg können jedoch erhebliche Massen entweder im flüssigen oder
gasförmigen (Verdunstung) Zustand bewegt werden. Statisches Wasser, das im Boden gehalten wird,
lässt sich in vier Kategorien unterteilen. Sie unterscheiden sich durch die Größenordnung der Kraft, mit
der sie in der Lage sind sich an den Bodenteilchen festzuhalten.
Chemisch – physikalische
Reaktionsweise
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Chemisches Wasser, das in der
Kristallstruktur der
Bodenmineralien gebunden ist.
Absorbiertes Wasser, das auf der
Oberfläche von Bodenteilchen
gebunden ist.
Wasser, das durch
Oberflächenspannung an den
Berührungspunkten von
Bodenteilchen gebunden ist.
Kapillares Wasser, das in den Poren
zwischen Bodenteilchen gebunden
ist.
Mit Ausnahme des chemisch gebundenen Molekülwassers (Punkt 1) werden alle oben genannten
Wasserarten in den Reaktionsprozess von Alphasoil®-06 einbezogen.
Alphasoil®-06 hat die Hauptaufgabe das gebundene Wasser zu reduzieren. Folge der
Wasserreduzierung sind Hohlräume, welche durch das Kompaktieren des Bodens geschlossen werden
und was somit für eine optimale Verdichtung sorgt. Neben der Wasserreduzierung wird auch die
Quellfähigkeit der einzelnen Bodenpartikel extrem eingeschränkt.
Die Funktion der einzelnen Wasserarten wird auf den folgenden Seiten nochmals genauer erläutert.
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Chemisches Wasser
Dieses in der Kristallstruktur von Bodenmaterialien gebundene Wasser hat einen sehr geringen
Mengenanteil. Selbst bei Trocknung mit mehr als 110 Grad kann es nicht aus der Struktur heraus
getrieben werden. Dieses Wasser ist integraler Bestandteil der Bodenmasse und seine Wirkung kann hier
außer Acht gelassen werden.
Absorbiertes Wasser
Das an der Oberfläche von Bodenteilchen haftende Wasser kann mit Ofentrocknung zwar vermindert,
aber nicht völlig heraus getrieben werden. Während der Abkühlzeit von offen liegendem, getrocknetem
Boden wird dieser je nach der Feuchtigkeit der umgebenden Luft erneut Wasser aufnehmen.
Der größte Teil des im Boden gebundenen Wassers entwickelt sich zu durch Oberflächenspannung
gehaltenem Wasser. Dieses Wasser kann man entweder an den Berührungspunkten
(Oberflächenspannung) feststellen oder es bewegt sich als Wasser zwischen den Partikeln in Form
von Porenwasser oder freiem Wasser in den Kapillarröhren, Kanälen oder Durchgängen.
Kapillarwasser
Dieses Wasser ist in den Poren zwischen Bodenteilchen gebunden. Durch Versickern, Verdunsten
oder Wasserextraktion in Anlagen vermindert es sich.
------Das größte Problem stellt das absorbierte Wasser dar, welches verteilt an der gesamten Oberfläche der
Bodenpartikel gehalten wird und praktisch Bestandteil der Bodenteilchen ist. Diese Wasserschicht ist
letztendlich für den Quell- und Schrumpfvorgang der kolloidalen Bodenbestandteile verantwortlich.
Durch rein mechanische Vorgänge lässt sich das absorbierte Wasser nicht austreiben, obwohl durch
Temperatureinflüsse, Wasserzugabe bzw. -entzug oder mechanischen Druck eine Vergrößerung oder
Verkleinerung erfolgen kann. Hier befindet sich der ideale Ansatzpunkt von Alphasoil®-06.
Der elektrostatische Aufbau eines Bodenteilchens wird nachfolgend näher erläutert.
Durch Herabsetzung des Dipolmoment des Wassermoleküls findet eine Aufspaltung in ein Hydroxyl(+)Ion sowie ein Wasserstoff(-) -Ion statt. Das Hydroxyl -Ion spaltet sich wiederum in ein Sauerstoff- und
ein Wasserstoff -Ion, wobei das Wasserstoffatom des Hydroxyls in ein Hydronium –Ion umgewandelt
wird. Dieses Hydronium –Ion kann im Status Nascendi plus oder minus Ladungen je nach Bedarf
abgeben oder abnehmen. Die kolloidalen Feinstbestandteile des Bodens sind normalerweise negativ
geladen. Die außerhalb anliegende Schicht des absorbierten Wassers trägt genügend positive geladene
Metall-Ionen wie Natrium, Kalzium, Aluminium oder Magnesium, die im Hinblick auf die negativen
Boden-Ionen einen Ladungsausgleich herstellen.
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Absorbiertes oder Hygroskopisches Wasser ist hauptsächlich verantwortlich für die Quelleigenschaften
des Bodens. Ein Bodenkorn mit chemisch gebundenem Wasser ist nicht in der Lage aufzuquellen, d.h.
die Strukturdichte zu ändern. Nur die Schicht des absorbierten Wassers, die mit großer Kraft auf der
Oberfläche der Tonteilchen festgehalten wird, kann sich in ihrem Volumen während einer Bewässerung
ausdehnen. Da dieses absorbierte Wasser in „stabiler“ Form an die Tonteilchen gebunden ist,
verschieben sich bei Verdickung dieser Schicht die Massenkerne gegeneinander, was eine Zunahme des
Gesamtvolumens erzeugt. Um eine möglichst dichte Lagerung der Tonteilchen zu erzielen und das
unangenehme Aufquellen der Schrumpfeigenschaften auszuschalten, muss daher nur die Dicke des
absorbierten Wassers reduziert oder aufgespaltet werden (wie oben erwähnt, wird diese Wasserhaut mit
großer Kraft gehalten). Die einzige Möglichkeit, dies wirtschaftlich und auch dauerhaft zuwege zu
bringen, ist durch Ionenaustausch. Die Alphasoil®-06 Lösung beeinflusst durch ihre elektrokinetischen
Eigenschaften sowohl die positiven als auch die negativen Ladungen der Bodenteilchen.
Dies hat drei Auswirkungen :
1.
Die Schicht des absorbierten Wassers wird stark verringert oder sogar vollkommen unterbrochen.
2.
Die Bodenteilchen neigen zur Agglomeration. (Stückung)
3.
Durch die Bewegung zueinander wird die Oberfläche verkleinert und weniger absorbiertes Wasser
kann aufgenommen werden, was wiederum eine verminderte Aufquellfähigkeit ergibt. Ferner wird
die Verdichtung des Bodens durch diese drei Fakten erleichtert bzw. möglich.
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Bei dieser Erscheinung vereinigen sich negative Ladungen
des Hydronium - Ions oder des negativ geladenen Hydroxyl Ions normalerweise mit den positiv geladenen Metallen des
ionisierten Wassers an der Oberfläche der Partikel. Durch die
Ladungsverminderung, die Alphasoil®-06 in dem
Wassermolekül auslöst, sind genügende Mengen an
negativen Ladungen vorhanden, um ausreichenden Druck
auf die positiv geladenen Metall - Ionen der absorbierten
Wasserschicht auszuüben. Eine Durchbrechung der
vorhandenen elektro-statischen Potentialbarriere ist die
Folge. Wenn diese Reaktion eintritt, wandern die Metall Ionen zu dem freien Wasser, dass ausgeschlämmt oder
verdunstet werden kann. Die Schicht des absorbierten
Wassers ist vermindert und die Bodenteilchen verlieren ihre
Aufquellfähigkeit und erlangen in der ganzen
Schichtenbildung eine krümelige Struktur. Dieser Prozess ist
irreversibel, nicht umkehrbar.
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Die während der Spaltung des Wassermoleküls
freigesetzten Wasserstoff - Ionen können
nochmals mit freien Hydroxyl - Ionen reagieren
um, neben der Bildung von gasförmigem H2,
Wasser zu bilden. Es ist wichtig festzustellen,
dass die vorhandene Feuchtigkeit das Verhalten
der Oberflächenspannung als ein Faktor, der
sich auf die Verdichtung auswirkt, beeinflusst.
Es ist hinzuzufügen, dass trockener Boden nur
wegen der Oberflächenspannung des
eingeschlossenen Wassers für die Verdichtung
schlecht geeignet ist. Somit kann man sehen,
warum eine Gesamtmenge Alphasoil®-06 Lösung für die chemische Behandlung der
betreffenden Fläche erforderlich ist. Dies ist
sehr wichtig, denn wenn die gesamte Lösung
nicht zugegeben wird, dann wird das Eindringen
der Alphasoil®-06 - Lösung effektiv
verringert. Diese beiden Erscheinungen (Gasund Wasserbildung und Oberflächenspannung )
können durch eine Verstärkung des
Feuchtigkeitsgehalts reduziert werden.
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Wenn die Kräfte durch eine Zunahme der
Feuchtigkeit (geringer Feuchtigkeitsgehalt
und Herabsetzung der Bildung von
gebundenem Gas und freiem Wasser )
verringert werden, kann die Alphasoil®-06
- Lösung leichter in die Kapillarstruktur
eindringen und der Ionenaustausch kann
schneller stattfinden. Das demzufolge
freigesetzte Wasser kann entweder
versickern oder durch die Knetwirkung z. B.
einer Schafsfußwalze und darauf folgende
Verdunstung ausgetrieben werden.
Alphasoil®-06 schafft somit günstige
Verdichtungsvoraussetzungen durch
Änderung des Zeta - Potentials von Schluffund Tonteilchen. Das Zeta - Potential
(elektrokinetische Potential) nimmt mit einer
zunehmenden Konzentration der Gegenionen
aus der Alphasoil®-06 – Lösung ab. Die
Kationen und Anionen werden von der
diffusen Doppelschicht befreit, die die
Aufquelleigenschaften des Bodens
herabsetzt.
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Das Schrumpfzeitdiagramm zeigt eindeutig, dass der Schrumpfprozess eine Sägeblattstruktur über dem
ausgetretenen Kapillarwasser annimmt und die Schwellenwerte der Struktur nach Null gehen. Anders
gesagt: Wenn Wasser zugesetzt wird, nachdem das Schrumpfen stattgefunden hat, geht die
Schrumpfung auf die ausgetretene Menge des Kapillarwassers zurück. Bei einer weiteren Schrumpfung
durch Verdunstungswasser wird die im ersten Schrumpfprozess erreichte Größenordung nie wieder
erzielt. Dies untermauert die Tatsache, dass unabgedichtete Flächen, die mit Alphasoil®-06 – Lösung
behandelt wurden, über eine längere Zeitspanne mehr Stabilität gewonnen haben.
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Die Eigenschaften von Alphasoil®-06 und ihre Ergebnisse:
1. Die Herabsetzung des Dipolmoments, was eine Wasserabweisung in dem einzelnen Bodenteilchen mit
gleichzeitiger Verringerung der Aufquellfähigkeit erzeugt.
2. Das elektrokinetische Phänomen, das eine Verfestigung der Bodenteilchen verursacht. Deswegen
erreicht der Boden eine höhere Scherfestigkeit, die Verdichtungsfähigkeit wird entscheidend verbessert
(Dichte ist eine Funktion der aufgewandeten Energie) und die Durchdringbarkeit stark erhöht
gegenüber unbehandeltem Boden. Der Beweis dieser Wirkungsweisen kann mittels
Zylinderdruckversuch und CBR Versuch erbracht werden.
Die Bodenteilchen richten sich generell parallel aus durch Aufbau einer elektrischen „Polsterung“, die
einen Gleiteffekt verursacht, der in der horizontalen Molekularstruktur stattfindet (hier wäre die
Molekülkonstruktion von Grafit vergleichbar). Allgemein hat eine Bodenart kolloidaler Natur einen Aufbau
ähnlich einem Kartenhaus. Dieser „Kartenhauseffekt“ erlaubt das Vorhandensein ziemlich großer Räume,
die entweder mit Wasser oder mit Luft gefüllt sein können. Während der Behandlung mit Alphasoil®06 müssen diese Räume auf alle Fälle entweder mit Porenwasser vom Statikwasser gefüllt sein oder
aber das Durchtränken des Bodens ruft den vorher genannten Fließeffekt hervor. Nur auf diese Weise
kann der Ionenaustausch durch Kationen höherer Valenz stattfinden und das Dipolmoment des
Bodenteilchens herabgesetzt werden. Nachdem die Reaktion stattgefunden hat, kann nicht soviel Wasser
wie ursprünglich angesammelt werden, was die Aufquellfähigkeit herabsetzt, die interne Feuchtigkeit des
Bodens verringert und eine Verdichtung bis zum Luftzwischenraum Null mittels der entstehenden Räume
des ausgeschiedenen Porenwassers möglich macht.
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Reaktionsweise
Spätere Zugaben von Wasser können diesen Prozess nicht mehr
umkehren, sobald er einmal stattgefunden hat (die Aufquellfähigkeit
wird zerstört und die Scherfestigkeit erhöht). Nach den
physikalischen Gesetzen müssten die obigen Reaktionen auch
stattfinden können in den Bodenschichten, in denen das Wasser
durch die Eindringung der Poren nicht direkt „bewegt“ wird, da auch
statisches Wasser als Beförderungsmittel für die Ionen dienen kann.
Die Geschwindigkeit, mit der die Reaktion in statischem Wasser
abläuft, ist sehr schwer zu ermitteln, weil noch andere
elektrokinetische Variablen mitspielen. Es sind zu viele Faktoren im
Spiel, Widerstand oder Potentialbarrieren (verschieden je nach
Bodenart), spezifischer Bedarf an Porenwasser der Bodenpartikel,
die natürlich nach Sättigung streben, Partikelgröße, Flächengröße
und PH- Wert des Bodens. Für ein fehlerfreies Funktionieren der
Arbeitslösung ist die Mindestforderung nach dem optimalen
Wassergehalt des Bodens zu ermitteln, während eine geringe
Erhöhung eine Verstärkung der Reaktion verursacht. Der
Wassergehalt ist jedoch auf keinen Fall bis zur Sättigungsgrenze zu
bringen, weil dies zu einem Verlust der Eindringkraft und der
wirksamen Tätigkeit führt. Analog ergäbe sich bei erreichtem
Sättigungsgrad der Nachteil, dass die Oberfläche durch den
ursprünglichen Aufquelleffekt versiegelt wird .
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