Messung der Saugspannung - warum Filterpapier nicht gut genug ist

Measuring soil suction—Why filter paper isn’t good enough

Die Filterpapiermethode ist eine ältere Methode zur Messung der Saugspannung oder des Wasserpotenzials die auch heute noch häufig in der Geotechnik verwendet wird. Bei dieser Methode wird ein Stück Filterpapier in einem luftdichten Behälter mit einer Bodenprobe versiegelt, und man lässt sie sich ausbalancieren.

Die Filterpapiermethode (die in der Geotechnik immer noch häufig verwendet wird) ist eine relativ alte, indirekte Methode zur Messung der Saugspannung (oder des Wasserpotenzials). In diesem Video erklärt Dr. Doug Cobos, warum die Filterpapiermethode große Fehler bei der Saugmessung verursachen kann und was Sie stattdessen verwenden sollten.

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So messen Sie die Saugspannung mit der Filterpapiermethode

Die Filterpapiermethode ist eine ältere Methode zur Messung der Saugspannung oder des Wasserpotenzials, die auch heute noch häufig in der Geotechnik verwendet wird. Bei dieser Methode wird ein Stück Filterpapier in einem luftdichten Behälter mit einer Bodenprobe versiegelt, und man lässt sie sich ausbalancieren.

A diagram showing filter paper is sealed in an airtight container with soil and allowed to equilibrate
Abbildung 1. Das Filterpapier wird in einem luftdicht verschlossenen Behälter mit Erde versiegelt und ins Gleichgewicht gebracht

Und so funktioniert es. Wenn das Filterpapier mit dem Boden in Berührung kommt (Abbildung 2), dann gleicht es sich mit der Bodensaugkraft des Bodens aus. Und wenn es über dem Boden hängt, gleicht sich die gesamte Bodensaugkraft zwischen diesen beiden aus. Sobald sich das Filterpapier mit dem Boden im Gleichgewicht befindet, wird das Filterpapier herausgeholt und nass gewogen, getrocknet und dann trocken gewogen, um den Wassergehalt zu ermitteln.

A graph showing someone putting the filter paper in contact with the soil enables it to equilibrate with the matric suction of the soil
Abbildung 2. Wenn Sie das Filterpapier mit dem Boden in Kontakt bringen, kann es sich mit der Saugkraft des Bodens ausbalancieren

Sobald Sie den Wassergehalt des Filterpapiers kennen, können Sie mithilfe einer Kalibrierungskurve auf die Saugkraft des Filterpapiers schließen. Diese Kalibrierungskurve ist im Wesentlichen die Feuchtigkeitskennlinie des Filterpapiers. Es handelt sich also um eine indirekte Methode zur Messung der Saugspannung.

Messung der Saugspannung: Vor- und Nachteile der Filterpapiermethode

Die Filterpapiermethode hat sowohl Vor- als auch Nachteile. Im Folgenden finden Sie einige attraktive Aspekte der Filterpapiermethode:

Vorteile der Filterpapiermethode
  1. Es ist eine kostengünstige Technik: Alles, was Sie brauchen, ist Wattman-Filterpapier Nr. 42, einen Ofen und einige versiegelte Behälter, um diese Messungen durchzuführen.
  2. Die ASTM-Norm ASTM D 5298 beschreibt die Filterpapiermethode: Dies ist eine wichtige Anforderung für viele technische Anwendungen.
  3. Misst die Saugspannung von der Sättigung bis zur Lufttrocknung: Mit der Filterpapiermethode können Sie die Saugspannung von Null bis zur Lufttrocknung messen, so dass Sie den gesamten Bereich der Saugspannung abdecken können, den Sie in der Natur antreffen könnten.
An illustration of Whatman #42 filter paper
Abbildung 3. Whatman #42 Filterpapier
Nachteile der Filterpapiermethode

Trotz der Vorteile der Filterpapiermethode gibt es große Nachteile, die die Anwendung dieser Methode riskant machen. Die folgenden Probleme werden oft übersehen:

  1. Möglicherweise große Fehler bei der Messung der Saugspannung: Wenn es einen Temperaturunterschied zwischen der Bodenprobe und dem Filterpapier gibt, führt dies zu einem großen Fehler bei der Saugmessung. Selbst ein Temperaturunterschied von einem Grad zwischen der Probe und dem Filterpapier führt zu einem Fehler von 8 MPa bei der Messung der Saugspannung. Und während Sie in der Praxis niemals einen Temperaturunterschied von einem Grad erwarten würden, ist ein Temperaturunterschied von einem Zehntel oder sogar einem Hundertstel Grad zwischen dem Filterpapier und der Probe möglich und sogar ziemlich wahrscheinlich. Das liegt daran, dass es viel schwieriger ist, wirklich isotherme Bedingungen zu schaffen, als man denkt.
  2. Die Fehler bei der Saugspannung nehmen bei feuchteren Böden zu: Um Ihnen ein Gefühl dafür zu geben, wie groß dieser Fehler sein kann: Wenn Sie sich am permanenten Verwelkungspunkt befinden, was einem Saugdruck von 1,5 MPa (oder 4,2 PF) entspricht, führt ein Temperaturunterschied von nur 1/10 Grad zwischen Ihrer Bodenprobe und dem Filterpapier zu einem Fehler von 55% bei der Saugmessung. Diese Fehler nehmen zu, je feuchter der Boden ist oder je niedriger die Saugkraft ist. 1,5 MPa ist ein relativ trockener Boden. Wenn Sie in feuchten Böden messen, brauchen Sie eine Temperaturübereinstimmung oder Temperaturstabilität von etwa 1/1.000 Grad, um mit dieser Methode eine genaue Messung der Saugspannung durchzuführen.
  3. Der ASTM-Standard empfiehlt eine universelle Kalibrierungsmethode für verschiedene Filterpapierchargen: Das andere große Problem mit der Filterpapiermethode ist, dass der ASTM-Standard eine universelle Kalibrierung für mehrere Arten von Filterpapier und mehrere Chargen von Filterpapier empfiehlt. Es hat sich gezeigt, dass dies kein effektiver Weg ist, um mit der Filterpapiermethode gute Messergebnisse zu erzielen. Die Literatur zeigt, dass verschiedene Chargen und sogar verschiedene Chargen desselben Filterpapiers nicht die gleiche Kalibrierungskurve aufweisen. Dr. Bill Lycos und Dr. Ning Lu veröffentlichten eine Arbeit (Likos, 2002), in der sie die Unterschiede bei der Kalibrierung von sieben verschiedenen Chargen Wattman-Filterpapier Nummer 42 verglichen. Dabei stellten sie fest, dass sie für jede dieser Partien eine individuelle Kalibrierung benötigten, um eine angemessene Genauigkeit zu erzielen. Wenn sie die universelle Kalibrierung auf all diese verschiedenen Chargen von Filterpapier anwandten, ergab sich ein Fehler von 25 bis 50 %, der durch das 95 %-Konfidenzintervall abgedeckt wurde.
Moderne Methoden ermöglichen genauere Messungen der Saugspannung

Unterm Strich bedeutet dies, dass Sie selbst bei perfekt isothermen Bedingungen, die in der Praxis fast unmöglich zu erreichen sind, mit der Filterpapiermethode einen Fehler von 25 bis 50 % bei Ihren Saugmessungen erhalten können. Es gibt moderne Methoden, die viel genauer und in der Praxis einfacher sind. Die WP4C ist eine schnelle und einfache Methode, um genaue Bodensaugmessungen zu erhalten. Es handelt sich um eine bewährte Methode, die auf physikalischen Grundlagen beruht. Sie ist so genau, dass sie zur Kalibrierung anderer Methoden verwendet wird. Besuchen Sie unsere Produktseite unter mehr erfahren.

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Referenz

Likos, William J., und Ning Lu. "Filterpapiertechnik zur Messung der gesamten Saugspannung". Transportation Research Record 1786, Nr. 1 (2002): 120-128. Artikel-Link

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