Konsistenz

Die Konsistenz eines bindigen Bodens (z. B. Bodenart Lehm oder Ton) beschreibt seine Beschaffenheit bzw. den Grad des Zusammenhalts seiner festen Bestandteile in Abhängigkeit vom Wassergehalt. Feinkörnige, bindige Böden gehen mit zunehmendem Wassergehalt von einer fest-halbfesten über eine steifplastisch-weichplastische Phase in einen zähflüssigen-breiigen Zustand über. Die Übergänge von dem einen in den anderen Zustand sind durch die Atterberg`schen Konsistenzgrenzen festgelegt. [Albert Mauritz Atterberg (1846-1916) war ein schwedischer Chemiker und Bodenmechaniker].

Schrumpfgrenze (Ws) = Übergang von der festen zur halbfesten Zustandsform. Sie entspricht dem Wassergehalt, ab dem eine Bodenprobe beim Trocknen an der Luft und dann bei 105 Grad Celsius keine weitere Volumenminderung zeigt (pF >4,0, siehe hierzu pF-Wert bei Wasserspeichervermögen).

Ausrollgrenze oder untere Plastizitätsgrenze (Wp) = Übergang von der halbfesten zur steifplastischen Zustandsform. Sie ist als derjenige Wassergehalt definiert, ab welchem der Boden manuell oder gerätetechnisch gerade noch knetbar ist, ohne zu zerbröckeln (pF 3,0).

Fließgrenze oder obere Plastizitätsgrenze (Wl) = Übergang von der plastischen bzw. weichplastischen zur zähflüssig-breiigen Konsistenz. Als Fließgrenze eines Bodens wird jener Wassergehalt angesehen, bei dem eine genormte Furche in dem in eine Schale gestrichenen gesättigten Probenmaterial (Fließgrenzengerät nach Casagrande) nach 25 Erschütterungen auf einen Zentimeter Länge zusammenläuft (pF <1). Arthur Casagrande (1902-1981) war ein österreichisch-amerikanischer Bodenmechaniker und Geotechniker.

Die Konsistenz und der Grad ihrer Änderung mit variierendem Wassergehalt stehen in direkter (korrelativer) Beziehung zur vorhandenen Kohäsion. Diese ist als Funktion der zwischen den Bestandteilen der Festphase des Bodens auftretenden zusammenhaltenden Kräfte anzusehen und ist vor allem abhängig vom Anteil und der Art der Tonmineralien und der organischen Bodensubstanz, von der Textur, vom pH-Wert sowie vom Wassergehalt und Porenwasserchemismus. Die anziehenden Kräfte sind vor allem elektrostatische Van der Waals`sche Kräfte (nähere Erläuterungen bei Wikipedia), Brückenbildungen durch Kettenmoleküle und Coulomb`sche Kräfte (nähere Erläuterungen bei Wikipedia) zwischen positiven und negativen Oberflächenladungen. Darüber hinaus bilden sich durch die Neigung der Festteilchen (Primärteilchen, Aggregate) Wasser anzulagern, an den Berührungsflächen der Wasserhüllen Menisken aus. Die dadurch zwischen den Teilchen auftretende Zugspannung infolge der Oberflächenspannung an den Kapillarwandungen (kapillarer Unterdruck) führt ebenfalls zu ihrem Zusammenhalt und addiert sich als Menisken- oder scheinbare Kohäsion zur echten Kohäsion.

Mit dem Auftreten von Meniskenkräften , die bei kohärentem Material ihr Maximum am Übergang vom halbfesten zum steifplastischen Konsistenzbereich haben, ist bei Wassergehalten ab der Schrumpfgrenze zu rechnen. Der Begriff „scheinbare Kohäsion“ soll verdeutlichen, dass sie sich vor allem bei Sandböden oder bei einer ausgesprochen wasserstabilen Aggregatstruktur des Bodens zeigt, im Zustand der Austrocknung jedoch verschwindet (Sandburgeneffekt). Im festen Zustand (Wnull-Ws) wird die Bodenmatrix lediglich durch die echte Kohäsion zusammengehalten, sieht man von verkittenden oder festigenden Substanzen ab (z. B. Fe-Oxide, organische Substanzen, Pflanzenwurzeln). Bei steigendem Wassergehalt und Abnahme der Kohäsion werden die Bodenteilchen zunehmend frei gegeneinander verschiebbar. Das Material erreicht über den halbfesten Zustand (Ws-Wp) die plastische Phase unter Abnahme der echten und der Meniskenkohäsion. Die Gesamtkohäsion ist aber noch ausreichend, um die Form einer mechanisch beanspruchten Masse aufrecht zu erhalten. Bei Wassergehalten an und über der Fließgrenze ist die echte Kohäsion nur noch minimal. Die Meniskenkohäsion ist verschwunden, und es kommt zur Dispersion der Bodenteilchen.

Die prozentuale Differenz zwischen den Wasser-Masseanteilen an der Fließ- und Ausrollgrenze ergibt die Plastizitätszahl oder den Plastizitätsindex (auch Konsistenzindex): Ip = Wl-Wp. Er legt den Wassergehaltsbereich fest, in dem sich das Bodenmaterial plastisch verhält und liefert eine Vergleichsbasis für die Empfindlichkeit verschiedener Böden im Hinblick auf Stabilitätsänderungen bei Wasserzufuhr. Bei landwirtschaftlich genutzten bindigen Böden eignet sich der Plastizitätsindex somit außer zur Beurteilung der Verschlämmungsneigung auch zur Relativeinschätzung der Befahr- und Bearbeitbarkeit. Je höher die Wassermenge ist, die ein kohärentes Bodenmaterial aufnehmen kann, um vom festen über den halbfesten Zustand zur Fließgrenze zu gelangen, desto größer ist der Zusammenhalt der Bodenteilchen. Daher können stabile Böden mit geringer Verschlämmungsneigung mehr Wasser adsorbieren, bevor sie zerfließen. Die Wassergehaltsangabe an den Plastizitätsgrenzen (Wp,Wl) und die daraus resultierende Plastizitätszahl sind somit indirekt ein Maß für die Stabilität der Aggregierung und des Bodengefüges. Zusätzliche aggregatzerstörende Effekte wie Luftsprengung oder Tropfenschlag (Planschwirkung) können dabei jedoch nicht berücksichtigt werden. Die Konsistenz- oder Zustandszahl (Ic) gibt an, wie weit entfernt sich das Bodenmaterial hinsichtlich seiner Wasser-Masseanteile von der Fließgrenze befindet. Sie zeigt den Zustand an, welchen der entsprechende Boden im Falle eines Zerknetens bei natürlichem Wassergehalt, etwa durch Befahrung, erreichen würde: Ic = Wl-W/Ip).