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Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität
sind generell Kennwerte in Abhängigkeit von der
mineralogischen Zusammensetzung, der Porosität
und Porenfüllung sowie der Temperatur. Aufgrund
der niedrigen Temperaturen in oberflächennahen
Tiefenlagen können beide Parameter jedoch als
temperaturunabhängig angesehen werden.
Bei der Bestimmung dieser Parameter handelt es
sich um eine Zusatzmaßnahme, die im allgemeinen
Erkundungsprogramm der Tunnelprojektierung üblicherweise
nicht vorgesehen ist.
In den nachfolgenden Abschnitten werden die Wärmeleitfähigkeit
und die spezifische Wärmekapazität
näher erläutert und angegeben, wie diese bestimmt
werden können. Auf eine Erläuterung der Dichte
(Trocken- bzw. Feuchtdichte) bzw. deren Bestimmung
wird an dieser Stelle verzichtet.
In diesem Zusammenhang sei noch erwähnt, dass
die im Folgenden beschriebenen Verfahren bzw.
Messmethoden nicht genormt sind und keine diesbezüglichen
Regelwerke vorliegen.
Wärmeleitfähigkeit
• Allgemeines
Die Wärmeleitfähigkeit λ B [W/(mK)] hängt von den
mengenmäßigen Anteilen der Stoffkomponenten
und ihrer räumlich-geometrischen Anordnung ab.
Da Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, erfolgt die
Wärmeleitung praktisch allein über die feste und
flüssige Bodenphase. Somit wird die Wärmeleit -
fähigkeit des Bodens stark durch den Wassergehalt
und die Trockendichte des Bodens beeinflusst
(siehe Bild 33) und kann somit innerhalb eines großen
Bereiches schwanken. Dies zeigt auch Bild 32
für untersuchte Proben aus Sandstein und Sand in
Abhängigkeit des Porenanteils und des Poreninhaltes.
Aufgrund dieser großen möglichen
Schwankungsbreite der Wärmeleitfähigkeit sind
bei numerischen Berechnungen zur Auslegung von
Erdwärmeanlagen Parametervariationen unumgänglich.
Wie bereits erwähnt, erfolgt der Wärmetransport im
Boden hauptsächlich durch Wärmeleitung. In Abhängigkeit
von der Kornverteilung bzw. vom Porenvolumen
und dem Sättigungsgrad kann jedoch
auch Wärme durch freie und erzwungene Kon -
vektion in Wasser und Luft, durch Wärmestrahlung
oder durch Diffusion transportiert werden. Aus diesem
Grund ist die effektive Wärmeleitfähigkeit des
gesamten Bodensystems stark von der Bodenart,
der Dichte (Trocken- bzw. Feuchtdichte) und dem
Wassergehalt (auch die chemischen Eigenschaften
des Wassers haben einen Einfluss) des Bodens abhängig.
Wie Bild 33 zu entnehmen ist, ist die Wärmeleitfähigkeit
umso größer, je dichter und wassergesättigter
der Boden ist.
• Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit im
Labor
Die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit basiert im
Wesentlichen darauf, dass ein zu untersuchendes
Bodenvolumen mit einem Temperaturgradienten
belastet wird. Dies verursacht jedoch einen erheblichen
Feuchtigkeitstransport in ungesättigten
Böden. Da die Messmethode demnach die Bodeneigenschaften
verändert, sollten diese Einflüsse
auch berücksichtigt werden. Dies erweist sich
messtechnisch jedoch als äußerst schwierig. Es erfolgt
zwar ein gewisser Feuchtigkeitstransport auch
im Feldversuch, doch dieser ist im Labor aufgrund
der größeren Temperaturgradienten wesentlich
stärker ausgeprägt.
Für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit im
Labor existieren grundsätzlich zwei Methoden. Bei
der ersten Methode handelt es sich um die so genannte
„Steady State Method“, bei der die Messungen
stattfinden, sobald sich die zu untersuchende
Bodenprobe in einem stationären Zustand
befindet. Bei der „Transient Method“ ändert sich
die Temperatur der untersuchten Bodenprobe mit
der Zeit. Diese Methode ist vielseitiger, einfacher
zu handhaben und in einer kürzeren Zeit zu bewerkstelligen
als die „Steady State Method“. Aus
diesem Grund wird im Folgenden nur auf Bestimmungsmethoden
mit der „Transient Method“ eingegangen:
– QTM-Messmethode: Bei der QTM-Messmethode
wird die Wärmeleitfähigkeit von Gesteinen
mit einer Halbraumlinienquelle nach der
„Transient Method“ gemessen. Dabei bildet ein
Heizdraht, der zusammen mit einem Thermoelement
auf einer Asbestplatte aufgespannt ist, die
Messsonde. Zur Bestimmung der Wärmeleit -
fähigkeit wird diese Messsonde auf eine ebene
Gesteinsfläche gedrückt, wobei für eine gewisse
Zeit eine Aufheizung der Gesteinsprobe mit
konstanter Leistung erfolgt. Aus dem resultierenden
Temperaturanstieg wird die Wärmeleit -
fähigkeit berechnet [35, 28].