Die Permittivität von Wasser in Böden und Tonen

Die qualitative und quantitative Bestimmung des Wassergehaltes in Böden ist u.a. eine wichtige Voraussetzung für das landwirtschaftliche Wassermanagement sowie für Klimamodelle. Der Wassergehalt von Tonen bestimmt deren Performance in nahezu allen technischen und geotechnischen Anwendungen. Beispielhaft seien hier hydraulische Barrieren genannt.

Zur großflächigen in-situ Messung der Feuchte von Böden und Tonen stehen eine Vielzahl von indirekten Methoden (Tensiometrie, TDR, …) zur Verfügung. Die Genauigkeit der Ergebnisse von Feuchtemessungen wird allerdings von einer Reihe von Faktoren beeinflusst, wie der Art der gewählten Bestimmungsmethode oder auftretende Hysterese.

Die gravimetrische Bestimmung des Wassergehalts unter statischer Temperaturführung bei 105 °C stellt bisher eine wichtige Referenzmethode zur Kalibrierung dieser indirekten Methoden dar. Allerdings ist beim dynamischen Erhitzen mit der Simultanen Thermischen Analyse (STA) ersichtlich, dass insbesondere quellfähige Tonminerale noch nennenswerte Anteile an Wasser aufweisen, nachdem sie bei 105 °C getrocknet wurden.

Im Rahmen der Dissertation wurde der Einfluss der Mineralstruktur von quellfähigen und nicht-quellfähigen Tonmineralen auf das notwendige Kalibrationsverfahren sowie die Erfassbarkeit der Feuchte mittels dielektrischer Messungen untersucht. Aus den Messreihen wurde die Permittiviät von gebundenem Wasser in Tonmineralen in Abhängigkeit von deren Kristallstruktur bestimmt und Mischungsregeln für teilgesättigte tonige komplexe Phasengemische abgeleitet.

In einem Folgeprojekt wurde die Wasserbindung in quellfähigen Tonmineralen auf molekularer Ebene durch first principles Berechnungen untersucht. Aus der Betrachtung der Tonmineralstrukturen als parallel geschaltete Kondensatoren konnte die zuvor messtechnisch ermittelte Permittivität durch die Modellrechnungen bestätigt werden.

                              

Realteil der relativen Permittivität zweier Na-gesättigter Montmorillonite (Emmerich et al., 2015)