Waterhoudend vermogen - Eigenschappen van klei

Waterhoudend vermogen.

Klei houdt een bepaalde hoeveelheid water vast die afhangt van de fysischchemische eigenschappen van water en klei en van de zuigkracht die de omgeving op het water uitoefent. Veel eigenschappen van klei hangen samen met het watergehalte en veranderingen daarin.

Affiniteit voor water

Het oppervlak van nagenoeg al de deeltjes vaste stof in klei heeft affiniteit voor water, wat wil zeggen dat watermoleculen zich min of meer aan het oppervlak van de deeltjes hechten [53]. Zo houdt klei zelfs bij een temperatuur van 100°C nog een klein beetje water vast. Onder langdurig droge omstandigheden is in een kleibekleding, het water in een laagdikte van slechts enkele watermoleculen over het oppervlak van de deeltjes vaste stof verspreid. De hoeveelheid water die de klei dan vasthoudt, hangt af van de mate van de affiniteit voor water. Deze affiniteit wordt beïnvloed door de omvang en samenstelling van het oppervlak van de vaste stof en door eventuele stoffen die in het water zijn opgelost en aan de vaste stof zijn geadsorbeerd. Stoffen die in water oplossen houden namelijk ook water vast. Klei met een hoog zoutgehalte kan bijvoorbeeld relatief veel water vasthouden.

Klei houdt ook water vast door de aanwezigheid van zogenaamde oppervlaktespanningen. Daardoor kan water in fijnere poriën en kleine hoeken in grotere poriën worden vastgehouden. De oppervlaktespanning is het gevolg van de aantrekking tussen de watermoleculen en een vaste stofoppervlak. waardoor het water als het ware aan vaste stofoppervlakken blijft hangen.

Veranderingen in watergehalte.

De waterspanning in klei boven het freatisch vlak is meestal negatief ten opzichte van de atmosferische druk. Deze negatieve waterspanning wordt gewoonlijk met zuigspanning aangeduid omdat klei als gevolg van die negatieve spanning water kan opzuigen vanuit het freatisch wateroppervlak. Slechts door neerslag of infiltratie van buitenwater kan de waterspanning boven het freatisch vlak plaatselijk positief worden. De zuigspanning wordt bepaald door een dynamisch evenwicht tussen de zwaartekrachtpotentiaal. de plaatshoogte boven het freatisch vlak. de vorm en de grootte van de poriën. Bovendien speelt de verdamping naar de atmosfeer een belangrijke rol. Deze kan zowel direkt van de grond naar de atmosfeer als via de vegetatie verlopen. De mate van verdamping is ondermeer afhankelijk van de relatieve luchtvochtigheid van de lucht.

Nabij het oppervlak van een dijk bedraagt de zuigspanning in de zomer vaak meer dan 100 m waterkolom; voornamelijk ten gevolge van de relatief hoge temperatuur en de zuigkracht van vegetatie. Door neerslag en temperatuursveranderingen kan de zuigspanning in de zomer echter sterk schommelen en is bij regen vaak minder dan 5 m.

In winteromstandigheden is in natte perioden de zuigspanning in de kleibekleding van een dijk gemiddeld veelal minder dan 1 m waterkolom. Slechts in droge vrieslucht kan de zuigspanning aanmerkelijk hoger zijn, met name in taluds die op het zuiden zijn georiënteerd. In een wortellaag treden de grootste schommelingen in zuigspanning op door afwisseling van neerslag, wateronttrekking door wortels en zeer grote temperatuursverschillen.

In de kern van de dijk wordt de variatie van de zuigspanning veroorzaakt door verandering van de ligging van het freatisch vlak en door atmosferische invloeden. De effecten van wisselingen in atmosferische omstandigheden zijn hier gedempt. De variaties in zuigspanning in de kern zijn meestal langzaam en beperkt in omvang. De zuigspanning in de kern van een dijk varieert van 0 m tot zelden meer dan 5 m waterkolom.

Door verschillen in zuigspanning bestaat er een voortdurend transport van vocht door een dijklichaam. In de winter wordt klei meestal vochtiger, zelfs als er geen regen valt. Zomers droogt klei in bekledingen uit door vochttransport naar de atmosfeer. Als een bekleding nat is, verdwijnt er water door diffusie naar de atmosfeer en naar de relatief koude kern van de dijk.

Over een langere termijn varieert de zuigspanning voor elke plaats in een dijklichaam tussen bepaalde waarden. In de kern van een dijk liggen de representatieve waarden voor de zuigspanningen zoals eerder vermeld, tussen 1 en 5 m waterkolom in de zone ruim boven grondwaterniveau. In de buitenste 1 tot 2 meter van het dijkprofiel is er een grotere spreiding in gemiddelde zuigspanning en in de variatie ervan rond het gemiddelde (zie ook figuur 3.3). De zuigspanningen die in een drietal zomerperioden in de bovenste 30 cm van een grastalud zijn gemeten, bleken meestal hoger te zijn dan 10 m waterkolom. Op een diepte van 40 cm tot 70 cm bleek dat voor iets minder dan de helft van de bepalingen het geval te zijn. Voor grastaluds in Nederland is daarom vastgesteld dat een zuigspanning van 10 m waterkolom (pF = 3) voor de zomerperiode een geschikte representatieve waarde is. Voorlopige bevindingen wijzen er op dat deze waarde ook een geschikte representatieve waarde is voor klei onder steenzettingen, maar dat de zuigspanning onder een steenbekleding minder snel wisselt.

A: pF-curven met aangegeven de watergehalten die m voorjaar, zomcr en najaar zijn gemeten.

8: Enige pF-curven van klei uit kleibekledingen [7].

De hoeveelheid water die een klei onder verschillende omstandigheden vasthoudt, hangt af van de zuigspanning en van het waterhoudend vermogen van die klei. De hoeveelheid water die een klei kan vasthouden bij verschillende zuigspanningen, wordt met behulp van een pF-curve weergegeven (zie figuur 3.2). Daarbij geldt:

pF = 10log (zuigspanning in centimeters waterkolom).

De pF-curve is een belangrijk gegeven van een klei in onverzadigde omstandigheden.

In figuur 3.3 zijn enkele op dijken gemeten watergehalten van klei onder grasbekleding en de daarbij behorende zuigspanningen weergegeven.