1. Problemstellung und Zielsetzung
Seit jeher stellen die Standsicherheit von Hängen und Böschungen (siehe Abb.1) in Tonen und Tonsteinen, die Baugrundstabilität und Bauwerksschäden infolge von Quellen und Schrumpfen ein grundlegendes Problem der Ingenieurgeologie dar und haben teilweise katastrophale Auswirkungen für Bauwerke und Menschenleben.
Abb.1: Rutschung in einem Tonabbau
Mit der detaillierten Kenntnis der Wasserbindungsstruktur in Tonböden kann deren Verhalten besser als vorher beschrieben werden, beispielsweise die Stabilität und das Gleit- und Rutschverhalten von Tonsedimenten rechnerisch modelliert, Baugrundmeliorationen, z.B. durch Beeinflussung des Quell- und Schrumpfverhaltens bzw. des Scherverhaltens durch gezielte Ionenzugabe durchgeführt, sowie Transportmechanismen für Schadstoffe besser eingeschätzt werden. Auch die Rheologie in Keramiksuspensionen sowie das Brennverhalten bzw. die zu erwartenden Eigenschaften nach dem Brennen können damit genauer erklärt werden. Ziel dieser Arbeit soll es sein, zum einem Grundlagen zur Charakterisierung der Mineralphasen und ihrer technologischen Einsatzmöglichkeiten zu erforschen, zum anderen einen ganzheitlichen Ansatz des Einflusses des in Tonen gebundenen Wassers und geeignete Indexversuche zu finden, um in der Praxis mit geringstmöglichem Aufwand den Charakter der „Wasserbindungsstruktur“ eines Tons zu ermitteln, und das daraus resultierende Verhalten qualitativ und möglichst auch quantitativ abschätzen zu können.
Die Eigenschaften von Tonen konnten bislang mit den speziellen Ansätzen der einzelnen geowissenschaftlichen Disziplinen nicht zufrieden stellend erklärt werden, deshalb wird im Rahmen dieser Arbeit ein fachübergreifender Lösungsansatz durch die Kombination von mineralogischen mit ingenieurgeologisch-geotechnischen Vorgehensweisen angestrebt.
Es ist davon auszugehen, dass alles an bzw. in den Tonen gebundene Wasser in unterschiedlichem Maß Einfluss auf die physiko-mechanischen Eigenschaften der Tone hat deren Quantifizierung und Fassung in Gesetzmäßigkeiten bisher nicht oder nur ansatzweise gelungen ist. Oftmals werden daher nur beobachtete Phänomene beschrieben, ohne die Ursachen erklären zu können. Auch die Wirkung von Elektrolyten und organischen Substanzen in der Porenlösung darf bei der Erklärung von Toneigenschaften nicht unbeachtet bleiben.
Aus der Kombination der „traditionellen“ Stoffgesetze aus der Bodenmechanik, dem Prinzip der effektiven Spannungen, die theoretisch auch für ein Tonpulver gelten aber die in Tonen enormen Wechselwirkungen zwischen Feststoff und Wasser vernachlässigen, der Tonmineralogie, der Grenzflächen-Thermodynamik und der Hydrodynamik sowie der Kenntnis der Wasserbindungsstrukturen könnten physikalische Eigenschaften von Tonböden z.B. das Wasserrückhaltevermögen zur Erklärung von Rutschungsmechanismen oder die Rheologie von Ton-Wasser-Suspensionen abgeleitet werden. Als vorläufige Klassifizierungsgrundlage sollen wassergehaltsabhängige Eigenschaften, wie z.B. Plastizität nach Casagrande, dienen, die mit dem Mineralbestand verknüpft werden sollen. Darauf aufbauend sollen weitere prägende Faktoren untersucht werden, wie beispielsweise die Entwicklung der Überlagerungsspannung (Be- und Entlastungsgeschichte), um diese mit tonmineralogischen und petrographischen Merkmalsunterschieden in Beziehung zu setzen.
2. Bisheriger Stand der Forschung
Bislang wurde auf verschiedenen Gebieten mehr oder weniger isoliert versucht, Tone zu klassifizieren oder ihre Eigenschaften zu erklären, so befassten sich:
- Tonmineralogen mit der Struktur der Tonminerale und der Identifizierung der verschiedenen Minerale,
- Bodenmechaniker mit dem Wasser-gehalt und der daraus resultierenden Konsistenzen, beziehungsweise der Konsolidierungsgeschichte , und den Texturen und Strukturen in Tonen und deren Wirkung auf Scherverhalten etc.,
- Physiker und Chemiker mit den Wechselbeziehungen an der Grenzfläche Wasser / Feststoff in kolloiden Lösungen (DLVO-Theorie).
Die Tonmineralogie konnte bisher die Struktur (den Bauplan) erfassen, die sich durch die Kombination von Tetraederschichten mit in Sechserringen koordinierten [SiO4]-Tetraedern und Oktaederschichten mit über die Kanten verknüpften [M(O,OH)6]-Oktaedern erklären lässt (siehe Abb.2). Aufgrund des Elektronen-überschusses können in den Oktaederlücken, in einer diffusen Doppelschicht und den intrakristallinen Zwischenschichten Kationen oder Dipole wie das Wassermolekül eingebaut werden, so dass sich entsprechend unterschiedliche Zweischicht- (Serpentine, Kaoline) und Dreischicht-Tonminerale (Talk-Pyrophyllit-Gruppe, Smectite, Vermiculite, Illite, Sepiolith-Palygorskit-Gruppe) bilden können. Auch regelmäßige oder unregelmäßige Wechsellagerungsminerale in allen denkbaren Kombinationen sind möglich. Die als Grundlage notwendige Identifizierung und Bestimmung der Kristallstruktur erfolgt vor allem durch die Röntgendiffraktometrie, Infrarot-Spektroskopie und Thermische Analyseverfahren.
Abb.2: Räumliche Darstellung der Schichtstruktur (aus Jasmund & Lagaly, 1993)
a) Zweischichtminerale
b) Dreischichtminerale
Die mineralogische Charakterisierung von Tonmineralen erfolgt durch die Messung der Basisreflexe im Röntgendiffraktogramm (siehe Abb.3), bzw. unter Ausnutzung der intrakristallinen Reaktivität der Änderung der Abstände dieser Basisreflexe in Gegenwart von Einlagerungsverbindungen z.B. DMSO für Kaolinit und Halloysit (Chlorit und Serpentinit zeigen keine Reaktion), Ethylenglykol, Glycerin und KCl zur Unterscheidung von Smectiten und Vermiculiten. Auch Erhitzen auf 500 °C bei dem Kaolinit und Halloysit im Gegensatz zu Chlorit zerstört werden kann zur Diagnose herangezogen werden. Die Schichtladung wird durch Einlagerung von Alkylammoniumionen bestimmt, v.a. um Smectite und Vermiculite zu unterscheiden. Aus den entsprechend der Absorptionskoeffizienten korrigierten Reflexintensitäten ist eine semiquantitative Bestimmung der Zusammensetzung eines Tonmineralgemisches möglich, indem die Summe aller Integralintensitäten als 100 % angenommen wird. Hierfür müssen Peaküberlagerungen jedoch gesplittet werden.
