Institut für Mineralogie und Kristallchemie der Universität Stuttgart

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Verwitterungsgrad
Bei Geländearbeiten und zur Probennahme können Tonsteine und Mergel, wie in dem Profil der Abb. 18 schematisch mit V1-V5 dargestellt, durch eine visuelle Ansprache verschiedenen Verwitterungsstufen zugeordnet werden. Eine genauere Charakterisierung des Verwitterungszustandes, jedoch nicht die gesuchte quantitative Bestimmung, ist mit einigen bekannten Meßgrößen möglich, z.B. der Aggregationszahl und den Atterbergschen Konsistenzgrenzen. Diese Größen berücksichtigen die Mikrostruktur der Tonsteine und deren Veränderung mit zunehmender Verwitterung. Während der Diagenese der Tonsteine und Mergel des Keupers und Juras haben sich wenige Tonpartikel zu Domänen vereinigt, welche Cluster bilden, die zu Aggregaten verkittet sind. Bei der Verwitterung zerfällt diese Organisationsstruktur stufenweise in die niedrigen Organisationsformen. Damit ist eine Veränderung der mechanischen Festigkeit verbunden. Neben der Aggregatauflösung äußert sich die fortschreitende Verwitterung allerdings auch in einer chemisch-mineralogischen Veränderung der Tonsteine und Mergel: Der Anhydrit-Gips-Umwandlung, dem Lösen der karbonatischen und sulfatischen Komponenten sowie der Oxidation des zweiwertigen Eisens mit der Neubildung von Eisenoxihydroxiden.

Unsere Untersuchungen an rund 200 Proben haben ergeben, daß zu den plastisch aktiven Stoffen in den Tonsteinen nur die Anteile der Kornfraktion < 2,um gehören. Zwischen den bodenmechanischen Größen und dem gesamten Tonmineralgehalt gibt es dagegen keine Beziehungen. Die Tonmineralaggregate verhalten sich nicht plastisch, genauso wie die restlichen Feststoffe mit einer Korngröße > 2,um, das ist die überwiegende

Menge an Quarz, Feldspat sowie die löslichen Karbonate und Sulfate. Alle wichtigen Veränderungen während eines Verwitterungsablaufs werden also mit dem Quotient PF erfaßt (Abb. 18). Besonders vorteilhaft ist es, daß mit einer quantitativen Mineralanalyse auch der theoretische Endwert PFEND für eine vollständige Verwitterung berechnet werden kann.

Zwischen dem Quotienten PF und einem Zustandsindex Iw sowie zwischen PFEND und IWEND besteht jeweils eine signifikante Korrelation (Abb. 18). Folglich gibt es während des Verwitterungsablaufes quantifizierbare Beziehungen zwischen den Veränderungen im Mikrogefüge und in der Mineralzusammensetzung einerseits, sowie den Konsistenzgrenzen und dem natürlichen Wassergehalt andererseits. Mit Hilfe von Iw und IWEND wurden die gesuchten Parameter definiert (Abb. 18): Der Verwitterungsindex VM (Abb. 18) ist nur von der Mineralzusammensetzung und dem Verwitterungszustand abhängig. Es ist ein Parameter zur vergleichenden Diskussion der bodenmechanischen Eigenschaften von Proben unterschiedlicher geologischer und regionaler Herkunft.

Der Verwitterungsgrad VR wird für ein bestimmtes Verwitterungsprofil, z.B. in einer Baustelle, berechnet (Abb. 18). VR gibt den aktuellen Verwitterungszustand einer Probe an. Darüber hinaus können jedoch auch noch die zu erwartenden Veränderungen der bodenmechanischen Eigenschaften bei weiter fortschreitender Verwitterung abgeschätzt werden.

Verwitterungsgrad
Abb. 18: Verwitterungsprofil im Opalinuston bei Nürnberg. Die Verwitterungsstufen V1 bis V5 wurden visuell bestimmt. PF = [(Kornfraktion < 2µm] / [Feststoff-Kornfraktion < 2µm]; PFEND = [Tonmineralgehalt] / [Quarzgehalt + Feldspatgehalt]; IW = 6,67 PF½-0,75 = 1/3 {((wL-10) / 7,9 + (wP-10) / 2,4 + w / 4,47} mit w = natürl. Wassergehalt, WP = Ausrollgrenze und wL = Fließgrenze; IWEND = 100(VM-VB) / (VE-VB), mit VB = Verwitterungsindex der unverwitterten und VE = Verwit-terungsindex der vollständig verwitterten Probe.

In einem Verwitterungsprofil mit möglichst homogener Mineralzusammensetzung sind die neuen Meßgrößen und Parameter teufenabhängig und der Verwitterungsablauf läßt sich in mehrere Verwitterungsstufen unterteilen. Das Beispiel der Abb. 18 ist ein Verwitterungsprofil im Opalinuston, südöstlich von Nürnberg, das gemeinsam mit der Landesgewerbeanstalt Bayern in Nürnberg untersucht wurde.


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