Quellung und Schrumpfung Hausarbeit WS 2015_16

Quellung und Schrumpfung als Grundlage der
Aggregatbildung
Hausarbeit
Modul AEF-agr034 Belastung und Schutz von Böden
Joris Fürstenau
Lukas Paul Loose
08.12.2015
Agrar- und Ernährungswissenschaftliche Fakultät
Institut für Pflanzenernährung und Bodenkunde
Abteilung Bodenkunde
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Inhaltsverzeichnis
Einleitung ............................................................................................................................. 3
Schrumpfung und Quellung ................................................................................................. 3
Schrumpfung in Böden ..................................................................................................... 3
Quellung in Böden ............................................................................................................ 6
Gefügeentwicklung .............................................................................................................. 8
Prismengefüge ................................................................................................................. 9
Polyeder ......................................................................................................................... 10
Subpolyeder ................................................................................................................... 10
Säulengefüge ................................................................................................................. 10
Fazit ................................................................................................................................... 10
Literaturverzeichnis ............................................................................................................ 11
Einleitung
Thema dieser Hausarbeit ist die Schrumpfung und Quellung als Grundlage für die
Aggregatbildung.
Die Volumenabnahme im Boden wird als Schrumpfung bezeichnet. Diese wird bei
Wasserentzug durch kontrahierende Kräfte, bedingt durch Wassermenisken,
hervorgerufen (Bachmann et al., 2014). Die Schrumpfung wird anhand der
Meniskenkräfte erklärt. Zudem werden die Phasen der Schrumpfungsprozesse bzw.
Schrumpfungskurve dargestellt. Die Quellung hingegen beschreibt die Volumenzunahme
des Bodens infolge von Befeuchtung (Kuntze et al., 1994). Jene wird mit der Schließung
von Schrumpfrissen, dem wichtigen Faktor des Tongehaltes, dem Quellungsdruck und der
Quellungshemmung erläutert.
Weiterhin wird die Gefügeentwicklung durch die Prozesse der Schrumpfung und Quellung
beschrieben. Es werden hauptsächlich die Absonderungsgefüge, die durch Be – und
Entwässerung gebildet werden, in Form und Entstehung dargestellt.
Schrumpfung und Quellung
Schrumpfung in Böden
Schrumpfung bezeichnet die Volumenabnahme in Böden, die bei Wasserentzug durch
Menisken, die kontrahierende Kräfte ausüben, hervorgerufen wird (Bachmann et al.,
2014). Die Meniskenkräfte wirken zwischen den Bodenpartikeln in den Poren
flächenabhängig, was der Grund dafür ist, dass diese Kräfte über das Ausmaß der
Schrumpfung entscheiden (Blume et al., 2010).
Die Oberflächenspannung des Wassers ɣ, ist die Kraft, die die Bodenpartikel zueinander
zieht. Eine Druckdifferenz hat kontrahierende Wirkung (Bachmann et al., 2014). In einem
schrumpfenden Boden herrscht im Wasserkörper ein Unterdruck, der sich beschreiben
lässt, indem man den Unterschied des Unterdrucks zum atmosphärischen Druck erfasst.
Die Abhängigkeit des atmosphärischen Unterdrucks von der Oberflächenspannung und
der körnungsbedingten Porengröße lässt sich durch folgende Gleichung darstellen (Blume
et al., 2010):
pL-pW= δp = 2*ɣ / r
Die Gleichung zeigt, dass der Druckunterschied bei sinkendem Kapillardurchmesser,
ansteigt, die Meniskenkrümmung wird stärker. Die kontrahierende Kraft steigt mit weiterer
Krümmung der Menisken. Dass die kontrahierende Kraft steigt, je kleiner der
Kapillardurchmesser ist, lässt auch nachvollziehen, weshalb feinkörnige Substrate viel
mehr schrumpfen als grobkörnige (Blume et al., 2010).
Der Verlauf des Schrumpfungsprozesses kann durch eine Schrumpfungskurve (Abb. 1)
dargestellt werden, die den Bezug zwischen Volumengehalt und Wassergehalt
verdeutlicht. Die Feuchteziffer (ϑ) gibt Auskunft über das Volumenverhältnis des Wasser
zur Festsubstanz, die Porenziffer (ε) über das Volumenverhältnis der Poren zur
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Festsubstanz (Bachmann et al., 2014). In Schrumpfungskurven werden bis zu vier Zonen
abgebildet: Struktur-, Proportional-, Rest- und Nullschrumpfung (Peng & Horn, 2005).
Wenn es zu einer Austrocknung kommt, weil der Grundwasserspiegel sinkt oder Wasser
immer weiter verdunstet, findet die Proportionalschrumpfung statt. Hierbei werden kleinere
Poren entwässert. Die Kapillarkräfte bewirken einen bemerkbaren Verlust an
Bodenvolumen, das Volumen des Bodens nimmt dabei um den gleichen Betrag ab wie
das des Wassers (Gebhardt et al., 2010). Wenn man den Boden in diesem Zustand
betrachtet, fällt die dunkle Bodenfarbe auf (Blume et al., 2010). Läuft die Austrocknung
des Bodens immer weiter, wird folglich eine Situation erreicht, in der die Starrheit des
Bodenporensystems ansteigt und die zusätzliche Volumenabnahme deshalb kleiner als
die Abnahme des Wasservolumens wird, was als Restschrumpfung bezeichnet wird
(Gebhardt et al., 2010). Die Bodenfarbe erscheint hierbei heller (Blume et al., 2010).
Irgendwann kann ein Punkt erreicht werden, an dem sich das Bodenvolumen nicht mehr
ändert. Wenn die Feuchteziffer ϑ den Wert Null erreicht und damit die Schrumpfungskurve
die Ordinate schneidet (Abbildung 1), liegt der Bereich der Nullschrumpfung vor
(Groenevelt & Grant, 2004; Gebhardt et al., 2010). Böden können unter Umständen auch
eine geogene, pedogene oder antrophogene Vorgeschichte aufweisen. Der Boden kann
als Ergebnis früherer intensiver Austrocknung vorgeschrumpft sein. Bleibt die Porenziffer
trotz Entwässerung konstant, muss die Phase der Strukturschrumpfung genannt werden
(Bachmann et al., 2014). Erst wenn der frühere Entwässerungsgrad erreicht wird, setzt bei
einer darüber hinausgehenden Austrocknung eine Proportionalschrumpfung ein (Blume et
al., 2010).
Das Schrumpfungsverhalten von Böden ist unterschiedlich und hängt von der Substratart
und der Ausgangsstruktur ab (Gebhardt et al., 2012). Substrate zeigen unterschiedliche
Schrumpfungspotentiale, die angeben wie sich das Volumen eines Substrates vom
wassergesättigten Zustand zum trockenen Zustand bei der Schrumpfung ändert. Sande
haben dabei den geringsten Wert, Torf-Tone weisen die größte Volumenveränderung
beim Austrocknen auf (Gebhardt et al., 2010).
Die Schrumpfungsintensität hängt vom dem Gehalt und der Zusammensetzung der
organischen Substanz ab. Generell gilt, dass Schrumpfung mit dem Grad der Zersetzung
steigt und mit dem Aschegehalt sinkt (Gebhardt et al., 2012).
Abbildung 1: Schrumpfungskurvenverlauf von Böden und homogenem Substrat
(aus Bachmann et al., 2014, S.100)
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Peng&Horn (2013) haben für das Schrumpfungsverhalten 6 verschiedene Gruppen (Typ A
bis E) in Abhängigkeit vom Vorhanden- oder Nichtvorhandensein der vier verschiedenen
Schrumpfungsphasen, unter Beachtung der Lage eines Wendepunktes
und der
Maximalpunkte auf der Schrumpfungskurve, klassifiziert. Die Proportionalschrumpfung ist
dabei in allen sechs Gruppen vertreten. Zeigt die Schrumpfungskurve einen Wendepunkt
und zwei maximal Punkte an der wassergesättigten und der trockenen Seitenlinie, sind
alle vier Schrumpfungsphasen vertreten und es wird vom Typ A gesprochen. Zeigt die
Schrumpfungskurve an der trockenen Seite keine Extremstelle, aber an der
wassergesättigten Seite und außerdem einen Wendepunkt, sind nur die Struktur-,
Proportional- und Restschrumpfung, jedoch nicht die Nullschrumpfung vertreten, spricht
dies für den Typ B. In der Studie machen Typ A und B 89% der klassifizierten Gruppen
aus. Der Typ C zeichnet sich dadurch aus, dass nur eine Extremstelle bei der
wassergesättigten Seite vorhanden ist. Folglich sind nur die Struktur- und
Proportionalschrumpfung vertreten. Moorböden und Böden, die reich an organischer
Substanz sind, zeigen dieses Schrumpfungsverhalten, weil sie ein großes Volumen an
Grobporen, aber nur wenig mineralische Partikel besitzen. In Reisböden wurde nach
mehreren
Quellungsund
Schrumpfungszyklen
nur
die
Phase
der
Proportionalschrumpfung aufgefunden (Typ D). Beim Typ E hat die Schrumpfungskurve
nur einen Wendepunkt, aber keine Extremstellen. Nur die Proportional- und
Restschrumpfung sind vertreten. Diesen Typ findet man in Aggregaten, Erdklumpen und
tonreichen Böden. Abschließend ist noch der Typ F definiert: Die Schrumpfungskurve
zeigt eine maximale Krümmung an der trockenen Stelle. Im Gegensatz zum Typ E ist
neben der Proportional- und Restschrumpfung auch die Nullschrumpfung vertreten,
aufgrund der Festigkeit der feinporigen Struktur am Ende des Trocknens. Dieser Typ eines
Schrumpfungskurvenverlaufs, bei dem keine Strukturschrumpfung vorhanden ist, wurde in
Aggregaten, Erdklumpen, Tonpasten und strukturarmen oder dichten Bodenkernen
entdeckt, wenn nur wenige oder keine Grobporen existieren (Peng & Horn, 2013).
Es gibt zwei Schrumpfungsdimensionen: Die vertikale (Bodensetzungen) und die
horizontale Dimension (Rissbildungen). Um diese zu berechnen, wird der dimensionslose
Geometriefaktor rs verwendet (Gebhardt et al., 2012; Peng et al., 2006). Die
Bodenabsenkungen bei der vertikalen Schrumpfung sind leichter zu messen, da dafür die
Messung der Bodenhöhenveränderung ausreichend ist. Bei der horizontalen Schrumpfung
muss das Volumen der gebildeten Risse ermittelt werden (Peng et al., 2006).
Die Volumenänderung bei der Schrumpfung wird als isotrop bezeichnet. Isotropie bei der
Schrumpfung bedeutet, dass die Eigenschaften richtungsunabhängig sind. Das bedeutet
beispielsweise, dass der gleiche Wert an Verschiebung, gemessen für die vertikale
Richtung, auch für die horizontale angenommen wird (Gebhardt et al., 2012). Der Boden
kann dem Meniskenzug, der die isotrope Volumenänderung bedingt, nur in der Vertikalen
frei folgen. In der Horizontalen kann Reibung auf dem Untergrund oder das noch im
unteren Teil des Sediments vorhandene Wasser das Zusammenrücken der Partikel
erschweren. Infolgedessen kann das Bodenpaket zerreißen. Die morphologischen
Bodenmerkmale, die hierbei entstehen, werden als Schrumpfungsrisse bezeichnet (Blume
et al., 2010). Die Schrumpfungsrisse können durch den Prozess der Quellung, auf den
weiter unten eigegangen wird, wieder geschloßen werden (Blume et al., 2000).
Wenn beispielsweise Tone linear schrumpfen, kann maximal ein Wert von 10 bis 15%mas
H20 erreicht werden. Je größer der Tongehalt eines Bodens ist, desto ausgeprägter ist die
Schrumpfung. Kalkt man einen Boden, vermindert dies in bindigen Böden das Ausmaß der
Schrumpfung. Ein Boden bildet umso leichter Segregate aus, je stärker er schrumpft. Die
Bodenbelüftung eines Bodens kann durch Quellungs- und Schrumpfungszyklen verbessert
werden. Man spricht dabei vom „selfmulching-effect“ (Kuntze et al., 1994).
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Böden, die reich an organischer Substanz sind, zeigen mehr Schrumpfungs- und weniger
Quellungsverhalten als es die anorganischen Böden im Verlauf von Quellung- und
Schrumpfungszyklen tun. Die Böden mit wenig organischer Substanz und mit höherem
Tonanteil zeigen sich als verformbarer (Peng et al., 2007). Während der Austrocknung ist
organisches
Material
besonders
instabil.
Da
diese
Böden
hohe
Feuchtigkeitsrückhalteeigenschaft haben, müssen sie einen hohen Anteil an Feinporen
besitzen, was zu hohen Kapillarkräften führt und folglich bei entsprechender Austrocknung
hohe Volumenabnahme erzeugt (Gebhardt et al., 2012).
Schrumpfung und Quellung werden durch den internen Stress (hydraulisch, kapillar) und
die Intensität und Anzahl der Quellungs-und Schrumpfungszyklen beeinflusst (Peng et al.
2007). Die Chemie des Tons, wie auch die Tonart und die Ionenkonzentration in den
Bodenporen, beeinflussen die Schrumpf- und Quellkapazität von Böden. Grobporen sind
anfälliger für Bodenverformungen. Unter externen Einflüssen, wie Auflast oder
Verdichtung, verändern sich Quellung und Schrumpfung in Abhängigkeit von ihrer
Porenfestigkeit und – größe. Die Schrumpfungskapazität von Grobporen ist geringer als
die von Feinporen, denn die Kapillarkräfte können in großen Poren die Partikel nicht
zueinander ziehen (Peng et al., 2007).
Quellung in Böden
Quellung wird als Zunahme des Bodenvolumens, bedingt durch Wasseraufnahme,
bezeichnet (Becher, 2000). Die Faktoren der Wasseraufnahme bestimmen in erster Linie
auch die Quellfähigkeit eines Bodens, wie beispielsweise die Körnung oder Mineralart des
Bodens (Bachmann et al., 2014). Durch vorherige mechanische Beanspruchung eines
feuchten Bodens wird die Quellung noch verstärkt. Beispielsweise bei Viehtritt auf einer
Weide oder Fahrspuren im Acker (Kuntze et al., 1994). Bei der Wiederbewässerung des
vorher geschrumpften Bodens, kommt es zu einer Entlastung der gekrümmten
Bodenmenisken. Die Entlastung führt zu einer Reduzierung der Zugspannung, welche von
den Menisken verursacht wird und zu einer Schließung der Schrumpfungsrisse. Peng &
Horn (2006) stellen in einem Versuch dar, dass die Ausdehnung des Bodens während des
Quellungsprozess dominant horizontal verläuft. Demnach ist die Ausdehnung als anisotrop
horizontal zu bezeichnen. Verursacht wird diese durch die Beschränkung der vertikalen
Ausdehnung infolge des Eigengewichts des Bodens. Zudem werden während der
Schrumpfung flache Bodenpartikel gebildet, die einen größeren hydraulischen Druck in
horizontaler als in vertikaler Richtung hervorrufen. Auch dies resultiert in einer horizontalen
Quellung. Mit steigendem Wassergehalt im Boden sinkt der hydraulische Druck und bei
Eintreten einer Sättigung wird dieser vernachlässigbar.
Eine vollkommene Volumenzunahme, die vor dem Schrumpfungsprozess vorherrschend
war, tritt im Allgemeinen allerdings nicht ein (Blume et al., 2010).
Dafür sind folgende Gründe aufzuführen: Die vertikale Ausdehnung während der Quellung
wird durch die Verdichtung der Bodendrücke beschränkt. Zu einer prägnanten vertikalen
Ausdehnung und damit zu einer Anhebung des Bodens kommt es, sobald die Risse der
Schrumpfung geschlossen sind und ein ausreichender Quellungsdruck gebildet wird, um
die Bodendrücke auszugleichen oder zu überwinden. Dies tritt zum Beispiel in Vertisolen
mit quellfähigen Tonen auf (Blume et al., 2010).
Gebhardt et al. (2010) haben in einem Versuch nachgewiesen, dass eine Schrumpfung
irreversibel ist. Dazu wurden verschiedene Bodenproben einer maximalen
Austrocknungsintensität (in diesem Fall entsprechend eines Matrixpotenzials von -50kPa)
ausgesetzt. Nach der Trocknung wurden die Bodenproben vollständig wassergesättigt. Es
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stellte sich heraus, dass keine der Bodenproben ihr anfängliches Volumen erlangen
konnte. Dabei verhindert die in der Schrumpfung entstandene Bodenstruktur, dass die
natürlichen physikalischen und hydraulischen Eigenschaften des Bodens wiederhergestellt
werden können.
Weiterhin findet infolge der Schrumpfung eine gewisse Einregelung, starke Verkantung
und Verdichtung der Teilchen statt, sodass ein gänzliches Wiederherstellen der Struktur
im Boden nicht möglich ist. Eine Zunahme des Bodenvolumens, entsprechend der
Erstschrumpfungslinie, ist somit ohne externe Einwirkung nicht mehr möglich (Becher,
2000). Jede Austrocknung, die stärker als die vorherige stärkste war, führt zu irreversiblen
Schrumpfungskomponenten (Gebhardt et al., 2010). Auch Peng et al. (2007) stellten dar,
dass die Intensität der Schrumpfung und die Häufigkeit von Austrocknung und
Bewässerung einen Effekt auf das Volumen des Bodens sowie der Poren hat. Ein starker
Be – und Entwässerungszyklus hat eine Verringerung des Porenvolumen zur Folge und
somit eine irreversible Deformation des Bodens. Die Vorgeschichte des Bodens
beeinflusst demnach seine Quellfähigkeit.
Die Schrumpfung ist vollkommen reversibel, sobald zusätzliche Mechanismen, die die
Bodenpartikel auseinanderbringen, wirken. Dies erfolgt durch mechanische Arbeit, die
durch Belastung beim Befahren oder Betreten des Bodens und sogar durch Regentropfen,
hervorgerufen wird. Die so verursachte Auflast führt zu einer Verformung des Bodens,
welche die Zugänglichkeit dessen für das Wasser verbessert. Die erweiterte
Wasseraufnahme ermöglicht den Tonpartikel weiteres Wasser zu binden und somit den
Quellvorgang zu verstärken (Blume et al., 2010).
Ein wichtiger Faktor der Quellung (und Schrumpfung) ist der Tongehalt im Boden. Hierbei
ist vor allem der Anteil der quellfähigen Dreischicht-Tonminerale entscheidend (Blum,
2012). Aufgrund der hohen Oberfläche des Tons und der großen Menge an
austauschbaren Kationen in diesem, wirkt sich der Tongehalt positiv auf die Quellung aus.
Je reicher der Boden an Ton ist, desto stärker wirkt die Quellung (Blume et al., 2010). Erst
ab einem gewissen Gehalt der Tonpartikel (< 2µm), das 10 bis 15% beträgt, kann es bei
der Quellung zu einer Volumenvergrößerung, die horizontal anisotrop verläuft, kommen
(Kuntze et al., 1994). Die unterschiedliche Oberfläche von Tonmineralen entscheidet über
das Quellvermögen des Bodens. Je größer die Oberfläche, desto quellfähiger ist das
Mineral. Die Reihenfolge der Quellfähigkeit ist: Smectit ~ Vermiculit > Illit > Kaolinit. Neben
der Oberfläche der Tonminerale, spielt die Hydratationsfähigkeit der adsorbierten Kationen
eine Rolle. So weist Na+ ein hohes Quellvermögen auf, während beispielsweise Al3+ eine
geringe Quellung hervorruft (Blume et al., 2010).
Sollte es zu einer Behinderung der Quellung kommen, entsteht im Boden ein sogenannter
Quellungsdruck (Blume et al., 2010). Dieser Druck hängt nah mit dem vorliegenden
Tonmineralien zusammen. Drei-Schichttonmineral führen zu einem höheren Druck als
Zwei-Schichttonminerale, aufgrund unterschiedlicher Fähigkeit Ionen zu binden. Zudem ist
der Quellungsdruck abhängig von den adsorbierten Kationen und der spezifischen
Oberfläche der Minerale. Na+ und Mg2+ gesättigte Tonminerale erzeugen einen hohen,
Ca2+ hingegen einen geringen Quellungsdruck (Tab. 1). Ein hoher Quellungsdruck führt
zum Beispiel im Solonetz zu dem aufgewölbten Säulengefüge (Kuntze et al., 1994).
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Tabelle 1: Kationenbelegung und Quellungsdruck- aus Marschböden gewonnene
Tonfraktionen (Kuntze, 1965).
Bei einer Einschränkung des Wasserzutritts zu den absorbierenden Oberflächen, entsteht
eine Quellungshemmung. Als bedeutendster Hemmungsfaktor gilt die geringe
Wasserleitfähigkeit in homogenen Tonböden. In diesen kommt es bei einer zeitlich
begrenzten Wasserzufuhr zu keiner gleichmäßigen Verteilung des Wasser, deshalb bleibt
der Boden starr (Bachmann et al., 2014). Weiterhin wird die Quellung durch eine hohe
Salzkonzentration in der Bodenlösung gehemmt, da durch diese die Hydratationsfähigkeit
der adsorbierten Kationen eingeschränkt wird (Blume et al., 2010). Weitere
Quellungshindernisse sind stabilisierende Hüllen und Krusten von Eisenoxiden, sowie
grobe Bodenteilchen, die eine Volumenzunahme verhindern (Kuntze et al., 1994). Eine
geringe Lagerungsdichte, durch die viel Wasser adsorbiert werden kann, und eine geringe
Oberfläche der Substrate, lässt organische Sedimente wie Gyttjen und Mudden nicht
quellen (Blume et al., 2010). Böden mit einem hohen Anteil an organischer Substanz
weisen im Allgemeinen ein geringeres Quellvermögen auf, als solche mit hohem
anorganischen Anteil, da sie wenige Feststoffpartikel und eine Dominanz an Feinporen
aufweisen. Dies führt zu einer starken Volumenabnahme während der Austrocknung
(Peng et al., 2007; Gebhardt et al., 2010). Zudem kann es in organischen Böden, nach
einer starken Austrocknung, zu einer Hydrophobie kommen, welche eine Anisotropie
zwischen Schrumpfung und Quellung hervorruft (Gebhardt et al., 2010).
Gefügeentwicklung
Als Grundgefüge wird das Einzelkorn-, Kohärent- und Kittgefüge angesehen. Infolge der
Schrumpfung, einem vorausgesetzten Tongehalt von mindestens 10 bis 15% und einer
gewissen Wechselfeuchte kann sich in bindigen Böden aus dem Einzelkorn- und
Kohärentgefüge ein Aggregatgefüge bilden. Da die Prozesse der Schrumpfung und
Quellung abiotisch hervorgerufen werden, sind die so entstandenen Gefüge als
Absonderungsaggregate zu bezeichnen (Becher, 2000).
In der Gefügeentwicklung sind vor allem die Trenn- und Scherbrüche von Bedeutung.
Beide rufen eine Entlastung hervor. Sie treten auf, wenn zwei Kräfte eine zu hohe
Spannung erzeugen, sodass die Festigkeit des Bodens überschritten wird. Trennbrüche
treten bei der ersten Entwässerung (Schrumpfung) auf und werden rechtwinklig zu der
Wirkungslinie der entgegengesetzt wirkenden Kräfte gebildet. Die Risse bilden sich im
rechten Winkel, da auf diese Weise die größte Entlastung entsteht. Bedingt sind die Kräfte
durch Kontraktion der Wassermenisken bei Austrocknung (Hartge et al., 1983; Bachmann
et al., 2014). Durch die erste Rissbildung kommt es zu einer Umverteilung der Spannung.
Bei großer Spannung an der Oberfläche der ersten Risse können weitere an jener
auftreten. Auch diese verlaufen rechtwinklig zu der ersten Grenzfläche. Einen gebogenen
Verlauf weisen die Risse auf, wenn dadurch eine effektivere Entlastung des Bodens
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hervorgerufen werden kann als bei geradem Verlauf (Hartge & Rahte, 1983). Aus
Trennbrüchen entstehen meist Prismen- und Säulengefüge (Bachmann et al., 2014).
Scherbrüche hingegen werden vor allem bei einseitiger Quellung gebildet und treten dabei
schräg (nicht rechtwinklig) zur Wirkungslinie der Kräfte auf (Hartge & Rahte., 1983). Dabei
sind zwei Möglichkeiten der Bildung zu unterscheiden. Hartge & Rahte (1983) beschreiben
diese wie folgt: Bei der ersten Möglichkeit wirken zwei Kräfte im Boden auf gleicher Linie
aufeinander zu. Die gebildeten Risse weisen einen Winkel 45° - ½ φ gegen die
Wirkungslinie auf. Bei der zweiten Möglichkeit verlaufen zwei Kräfte parallel und in
entgegengesetzter Richtung zueinander. So kann ein Scherbruch zwischen beiden Kräften
entstehen. Zu dieser Möglichkeit kommt es, sobald die Bodenkörper und damit auch die
Kräfte gegeneinander verschoben werden. In der fortgeschrittenen Gefügebildung sind
Scherbrüche für Polyedern sowie Subpolyedern verantwortlich (Bachmann et al., 2014).
Im Folgenden werden die Absonderungsgefüge nach Größe und Entstehung gegliedert
(Abbildung 2).
Abbildung 2: Gliederung und Ansprache des Makrogefüges im Boden (Kuntze et al.,
1994)
Prismengefüge
Mit der Restschrumpfung, die infolge von Austrocknung auftritt, bildet sich aus dem
Kohärent- ein Prismengefüge. Die Prismen werden aus Trennbrüchen gebildet (Becher,
2000). Das prismatische Gefüge ist die erste Form der Aggregatbildung. Gekennzeichnet
ist dieses durch 3 bis 6 raue Seitenflächen, einer vertikal gestreckten Längsachse, die
größer als die horizontale ist und einer variierenden Prismengröße (Blume et al., 2010).
Zudem weisen Prismengefüge einen hohen Tongehalt auf (Blum, 2012).
Durch starke Schrumpfung und Quellung kann es durch Scherkräfte, die zwischen den
einzelnen Bodeneinheiten auftreten, zu einer Einregelung kommen. Dies führt zu welligen
oder gewölbten Scher- und Gleitflächen, die auch als slickensides bezeichnet werden.
In den Prismengefügen kann es durch eine erhöhte Wechselfeuchte und somit einer
Zunahme der Risse, zu einem Zerfall der kleineren Prismen kommen. Dabei können
Polyeder entstehen (Becher et al., 2000).
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Polyeder
Wie bereits erwähnt, kommt es bei einer Verkleinerung der Prismen zu einer
Polyederbildung, welche durch häufige intensive Schrumpfung und Quellung
hervorgerufen wird. Neben der Häufigkeit und Intensivität der Quellung und Schrumpfung,
die zu einer verstärkten Rissbildung (v.a. Scherrisse) führt, ist der Tongehalt des Bodens
für die Polyederentstehung entscheidend. Je höher dieser, desto kleiner werden die
Polyeder gebildet (Becher et al., 2000). Daher sind diese häufig in kalkhaltigen Tonböden
aufzufinden (Kuntze et al., 1994). Weiterhin beeinflussen die organische Substanz,
Lagerungsdichte und Porenverteilung die Bildung des Gefüges (Blume et al., 2010). Das
Polyedergefüge ist durch annähernd gleiche Achsenlänge, scharfe Kanten und glatte
Oberflächen gekennzeichnet (Kuntze et al., 1994).
Subpolyeder
Subpolyeder entstehen abiotisch durch intensive Quellung und Schrumpfung. Eine hohe
Intensität dieser ruft im Boden eine scherende Bewegung und ein Schleifen hervor, welche
die Polyeder weiter verkleinert sowie abrundet (Blume et al., 2010). Das Gefüge ist jedoch
nicht rund (Becher et al., 2000). Im Gegensatz zu den Polyedern weisen die Subpolyeder
eine raue Oberfläche und stumpfe Kanten auf (Kuntze et al., 1994).
Zusammenfassend zu den bisher genannten Gefügeformen ist zu sagen, dass Prismen,
Polyeder und Subpolyeder durch Befeuchtung, Austrocknung und den so bewirkten
Prozessen, aufeinander basierende Absonderungsaggregate sind. Mit Ablauf dieser
Prozesse verlieren sie an Größe, werden aber auch stabiler (Blume et al., 2000).
Säulengefüge
Die Voraussetzung für Säulengefüge besteht darin, dass natriumsalzhaltiges Wasser vom
Grund an die Bodenoberfläche gelangt. Einfach positiv geladene Natriumkationen
umgeben sich bei ausreichendem Vorhandensein von Wasser mit einer dicken Hydrathülle
und können Bodenmaterial in ihrem Umfeld dispergieren. Während Quellung- und
Schrumpfungszyklen wandern folglich humusgesättigte und Natrium-gesättigte
Tonteilchen herab, während Schluffteilchen nach oben wandern. Die Scherfestigkeit sinkt.
Folglich werden die horizontal verlaufenden Ränder so beeinflusst, dass sich
Säulengefüge, im Vergleich zu Prismen, durch glatte Seitenflächen und die Kopfflächen
durch gerundete Kanten auszeichnen, weil dies der energieärmste Zustand ist. In
Mitteleuropa finden sich Säulengefüge im Bereich von Straßen mit Streusalzausbringung
bzw. in Knickbrackmarschen mit salzhaltigem Grundwasser (Blume et al., 2000; Blume et
al., 2010).
Fazit
Die im Boden ablaufenden Prozesse der Schrumpfung und Quellung sind zwei
gegensätzliche Prozesse, die dennoch zusammenhängend sind. Hervorgerufen werden
diese durch den Wechsel von Austrocknung und Wiederbefeuchtung sowie ein gewissem
Tongehalt im Boden. Sowohl das Ausmaß der Schrumpfung als auch der Quellung sind
entscheidend für die Gefügeentwicklung des Bodens, welche vom Prismengefüge bis zum
Subpolyeder beeinflusst wird.
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Literaturverzeichnis
Fachbeiträge:
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Abbildung 1: Bachmann et al., 2014, S.100
Abbildung 2: Kuntze et al., 1994, S.155
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