Korngrößenbestimmung durch Siebung und Sedimentation

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Korngrößenbestimmung durch Siebung und Sedimentation
Methode
Englische Bezeichnung Particle size determination using pipette method and sieving
Was kann gemessen werden? Auswaage gesiebter Sand und Auswaage entnommene Aliquote aus der Sedimentation für die Schluff und Ton Bestimmung
Welche Materialien können gemessen werden? Boden
Zeitl. Aufwand insgesamt ca. 2 Tage für 1-4 Proben (Dispergierung, Sedimentation, Siebung, Trocknung, Auswertung, Personalverfügbarkeit) (inkl. Trocknungszeitraum ca. 1-3Wochen bei Lufttrocknung und Siebung der Proben ≤ 2mm ca. 10-45 Minuten)
Kosten (f. Dienstleistung) Pro Probe:
Aufbereitung
Generell mögliche Aufbereitungsarten? Lufttrocknung, Ofentrocknung (≤ 40°C), Abtrennung Grobboden (2 mm Sieb)
Aufbereitungsarten (an LMU)? Lufttrocknung, Ofentrocknung (≤ 40°C), Abtrennung Grobboden (2 mm Sieb)
Erforderliche Probenmenge 30-35 g
Zeitl. Aufwand Probenaufbereitung (inkl. Reinigung) Boden:
Trocknung der Probe nicht über 40°C (ca. 1-3 Wochen)
Sieben (≤ 2mm) ca. 10-45 Minuten
Messprozedur
Kalibration notwendig ✘ Nein, aber Dispergiermittelkorrektur
Administrator notwendig ✔ Ja
Messung = Dienstleistung ✔ Ja
Messung selbständig möglich (nach Einweisung) ✔ Ja, bedingt
Dauer der Messung pro Probe Pro 1-4 Proben 2 Tage
Ausgabeformat Anteile der Bodenfraktionen (T, fU, mU, gU, fS, mS, gS) in M%
Bilder
Wasserbecken.JPG
Schlämmen des Feinbodens im Wasserbecken

Die Korngrößenbestimmung durch Siebung und Sedimentation ist ein maßgeblicher Bestandteil der Standortkundlichen Bodenbestimmung. Ihr Ziel ist die Analyse der Korngrößenverteilung und die Bestimmung der Bodenart. Die Intervalle für die Zuordnung der Teilchen in Korngrößenklassen sind in DIN-Norm 18123 festgelegt. Zunächst werden dafür Grobboden und Feinboden getrennt. Die weitere Untersuchung des Feinbodens erfolgt über Sieben und Schlämmen.



Grundprinzip

Bei der Analyse der Korngröße ergibt sich das Problem, dass der gesamte Wertebereich der Körnung (2-0,002 mm) nicht mit einer Analysenmethode durchführbar ist. Es ist daher notwendig, die Analyse in zwei Teilschritten durchzuführen.

  1. Der Sandgehalt wird durch Siebung ermittelt.
  2. Der Schluff- und Tongehalt wird durch Schlämmen bestimmt.

Bei der Sedimentation wird die Bodenprobe in einer Dispergiermittellösung suspendiert. Gemäß des Stoke´schen Gesetzes ist die Sinkgeschwindigkeit eines Partikels umso höher, je größer der entspreche Partikel ist:

  • Ton (T) = langsam
  • Schluff (U) = mittel
  • Sand (S) = schnell

Durch Änderung der Wassertemperatur und der Entnahmetiefe kann der Zeitpunkt der Probennahme beeinflusst werden. Stoke'sches Gesetz:

υp = (2r2 g (ρfp ))/9η
υp = Sedimentationsgeschwindigkeit eines Partikels
r = Radius des Partikels
g = Erdbeschleunigung
ρf = Dichte des Fluids
ρp = Dichte des Partikels
η = Dynamische Viskosität des Fluids


Spezielle Anforderungen an die Probennahme und –aufbereitung, Reinigung

Zur Durchführung werden folgende Gerätschaften benötigt:

Probenaufbereitung

Vorbereitung der Sieb- und Schlämmanalyse

  1. 30-35 g lutro (lufttrockener) Feinboden für die Sedimentation über einen Plastiktrichter in eine 250 ml Flasche einwiegen (Präzisionswaage)
  2. Mit ca. 150 ml destilliertes Wasser (250 ml Messzylinder) auffüllen und mit 25 ml (NaPO3)n / Na2CO3-Lsg versetzen und 90 Minuten Überkopf schütteln.
  3. Schmelztiegel mit Hilfe der Analysenwaage wiegen.
  4. Die angesetzte Probe mit Hilfe einer Spritzflasche (dest. Wasser) sowie eines Trichters vollständig in einen 1 l Zylinder überführen, mit dest. Wasser bis zur Markierung auffüllen und 2 Stunden im Wasserbad Pipettiergerätes auf 30 °C erwärmen.
  5. Umgang mit dem Pipettiergerät einüben.

Sedimentation

Arbeitsschritte in Anlehnung an DIN ISO 11277:2002-08.[1]

  1. Den Zylinder gut umschütteln, bis die gesamte Probe in Lösung ist und anschließend zurück in das Wasserbad stellen.
  2. Suspension abpipettieren (Zeiten und Probenahmetiefen für die Trennung der verschiedenen Äquivalenzdurchmesser (dp) siehe Tabelle 1) und in den gewogenen Schmelztiegel ablaufen lassen. Zeiten und Eintauchtiefen bei 30 °C Wassertemperatur nach DIN ISO 11277.
Zeiten und Probenahmetiefen bei 30 °C Wassertemperatur nach DIN ISO 11277
Zeit Eintauchtiefe Korngröße dp (mm)
0 h 1 min 06 sek 200 mm 0,063
0 h 3 min 41 sek 100 mm 0,020
0 h 41 min 5 sek 100 mm 0,006
16 h 01 min 21 sek 260 mm 0,002
  1. Die Suspensionen in den Tiegeln werden bei ca. 200 °C im Trockenschrank eingedampft.
  2. Danach werden die Tiegel zur Abkühlung in den Exsikkator gestellt und anschließend auf der Analysenwaage gewogen.

Siebung

Arbeitsschritte in Anlehnung an DIN ISO 11277:2002-08.[1]

  1. Die Siebe mit der Maschenweite 1 mm, 630 μm, 315 μm, 200 μm, 100 μm und 63 μm einzeln mit einer Präzisionswaage wiegen und nach steigender Maschengröße aufeinander stapeln.
  2. Platzieren Sie die Siebe auf dem Schüttler.
  3. Die Suspension komplett aus dem Glaszylinder auf den Siebsatz überführen.
  4. Durch Rütteln der Siebmaschine wird die Sandfraktion mit Hilfe eines Wasserstrahls aufgetrennt und gleichzeitig der abschlämmbare Anteil an Ton und Schluff entfernt.
  5. Die Siebe in einem Trockenschrank bei mindestens 150 °C trocknen und anschließend wiegen.
Intervalle der Sandfraktion innerhalb der Korngrößenuntersuchung
Maschenweite Korngröße
1 mm gS
630 μm gS
315 μm mS
200 μm mS
100 μm fS
63 μm fS

Fehlerquellen

  • Falsche Probenahmetiefe bei der Sedimentation
  • Falsche Entnahmezeit bei der Sedimentation
  • Siebe nicht nach steigender Maschengröße sortiert
  • Unvollständige Entnahme des Messzylinderinhalts bei der Nasssiebung
  • Zu starke Wasserzuführung bei der Nasssiebung (Wasserrückstau)

Auswertung

  • Für die Berechnung in M% steht eine Excel Tabelle zur Verfügung. Das Ergebnis auf ganze Zahlen zu runden.
  • Mit Hilfe der bodenkundlichen Kartieranleitung KA5 kann die Bodenart bestimmt werden. Sie ermöglicht nutzungsrelevante Schlüsse und gibt Hinweise auf eine Vielzahl von Prozessabläufen im Boden.

Vor- und Nachteile

  • Repräsentative Probenmenge aufgrund der hohen Einwaage
  • Es können nur wenig Proben auf einmal analysiert werden
  • Zeitaufwendige Methode

Lehrveranstaltungen

Die LMU stellt die Instrumente für die Analyse nach aktueller DIN-Norm im Bodenlabor des Departement für Geographie bereit. Theorie und Durchführung der Partikelgrößenbestimmung mittels Siebung und Sedimentation ist Teil der Lehrveranstaltungen:

B.Sc. Geographie:

M.Sc. Umweltsysteme und Nachhaltigkeit:

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Verzeichnis von Normen und Richtlinien

Aktuelle Norm:

  • DIN ISO 11277:2002-08 – Bodenbeschaffenheit - Bestimmung der Partikelgrößenverteilung in Mineralböden - Verfahren mittels Siebung und Sedimentation (ISO 11277:1998 + ISO 11277:1998 Corrigendum 1:2002)

Zurückgezogene Normen zur Korngrößenbestimmung:

  • DIN 19683-1:1973-04 – Bodenuntersuchungsverfahren im Landwirtschaftlichen Wasserbau - Physikalische Laboruntersuchungen - Bestimmung der Korngrößenzusammensetzung durch Siebung
  • DIN 19683-2:1973-04 – Bodenuntersuchungsverfahren im Landwirtschaftlichen Wasserbau - Physikalische Laboruntersuchungen - Bestimmung der Korngrößenzusammensetzung nach Vorbehandlung mit Natriumpyrophosphat
  • DIN 19683-3:1973-04 – Bodenuntersuchungsverfahren im Landwirtschaftlichen Wasserbau - Physikalische Laboruntersuchungen - Bestimmung der Korngrößenzusammensetzung nach Vorbehandlung mit Wasser

Weitere Normen und Richtlinien:

  • DIN ISO 565:1998-12 - Analysensiebe - Metalldrahtgewebe, Lochplatten und elektrogeformte Siebfolien - Nennöffnungsweiten (ISO 565:1990)
  • DIN ISO 3310-1:2017-11 - Analysensiebe - Technische Anforderungen und Prüfung - Teil 1: Analysensiebe mit Metalldrahtgewebe (ISO 3310-1:2016)
  • DIN ISO 3310-2:2015-07 - Analysensiebe - Technische Anforderungen und Prüfung - Teil 2: Analysensiebe mit Lochblechen (ISO 3310-2:2013)
  • DIN ISO 3696:1991-06 – Wasser für analytische Zwecke; Anforderungen und Prüfungen (identisch mit: DIN ISO 3696:1987)
  • DIN 19747:2009-07 - Untersuchung von Feststoffen - Probenvorbehandlung, -vorbereitung und -aufarbeitung für chemische, biologische und physikalische Untersuchungen

Literatur

Referenzen

  1. 1,0 1,1 DIN ISO 11277:2002-08 – Bodenbeschaffenheit – Bestimmung der Partikelgrößenverteilung in Mineralböden - Verfahren mittels Siebung und Sedimentation

Autor:innen

Maxl Autor.png
Dieser Artikel wurde erstellt von:
Karin Meisburger, Lukas Müller, Philipp Maly