Korngrößenspektrum

Der Begriff Korngröße beschreibt die Größe von einzelnen Partikeln (auch Körner genannt). Sie hat wesentlichen Einfluss auf die Stoffeigenschaften in vielen technischen und wissenschaftlichen Bereichen wie beispielsweise im Bauwesen, der Sedimentologie und Bodenkunde sowie in der Metallurgie (siehe Kristallit und Kornwachstum). Dort kommen eine Vielzahl von Korn- oder Partikelgemische zur Anwendung. Zu diesen Korngemischen zählen alle Arten von Schüttgütern wie etwa Sand und Kies, Mehl, Kunststoffgranulat sowie Pigmente. In der Metallkunde werden die Mikrostrukturen innerhalb von metallischen Werkstoffen auch als Korn bezeichnet.

Korngrößen von 0,016 mm bis 2,0 mm

Aufgrund der Vielzahl von Methoden zur Ermittlung, Beschreibung und Interpretation der Korngröße sowie weiterer Korneigenschaften nach EN ISO 14688 (Form, Rundung und Oberfläche) hat sich die Granulometrie als eigenständige Disziplin entwickelt.

Äquivalentdurchmesser

Ginge man davon aus, dass Körner bzw. Partikel als perfekte Kugeln vorliegen, könnte man den Kugeldurchmesser als Maß für die Korngröße heranziehen. Diese Annahme ist in der Praxis jedoch unzureichend, da natürlich gebildete oder technisch hergestellte Partikel in unterschiedlichster Form vorliegen. Für die Beschreibung deren Größe bedient man sich deshalb des Äquivalentdurchmessers. Das bedeutet, dass man eine andere messbare Eigenschaft bestimmt und bezieht die Messwerte auf gleichgroße (äquivalente) Kugeln.

Ein einfaches Beispiel für einen Äquivalentdurchmesser ist der Siebdurchmesser. Durch das quadratische Loch eines Siebes mit beispielsweise 1 mm Kantenlänge passt sowohl eine Kugel mit 1 mm Durchmesser als auch ein längliches Korn in Form eines Bleistifts mit 1 mm Durchmesser. Über die Diagonale des Sieblochs gilt dies auch für ein flaches Korn in Form einer Münze mit deutlich mehr als 1 mm Durchmesser. Alle drei Körner erhalten denselben Äquivalentdurchmesser von 1 mm.

Andere Beispiele für Äquivalentdurchmesser sind hydrodynamischer Durchmesser (gleiche Fallgeschwindigkeit in einer Wassersäule wie eine Kugel) oder aerodynamischer Durchmesser (gleiche Fallgeschwindigkeit in Luft wie eine Kugel).

Korngrößenanalyse

Siebe mit unterschiedlicher Feinheit

Zur Bestimmung der Korngröße kann aus einer Vielzahl von Methoden ausgewählt werden, bei denen letztlich immer ein Äquivalentdurchmesser bestimmt wird. Die geeignete Methode hängt vom Korngrößenbereich, der Fragestellung oder von Vorschriften ab.

Sehr große Partikel (ungefähr ab einer größe von 63 mm) werden einzeln von Hand vermessen oder es wird die Größe aus Fotos ermittelt.

Bei Partikeln im Bereich 10 µm bis Knopfgröße kann die Größe durch Siebung ermittelt werden. Hierbei wird ein Satz mit nach unten immer feiner werdenden Sieben aufeinander gesetzt. Die zu analysierende Probe wird in das oberste Sieb eingefüllt und der Siebsatz anschließend in eine Siebmaschine eingespannt. Die Maschine rüttelt oder vibriert dann den Siebsatz für einen gewissen Zeitraum. Die auf diese Weise ermittelte Korngröße wird oft in der Maßeinheit Mesh angegeben.

Bei sehr feinen Partikeln (< 10 µm) kommen Methoden zum Einsatz, bei denen man die Partikel in einer Wassersäule absetzen lässt (grobe Partikel fallen schneller als feine) und regelmäßig die Dichte der Suspension bestimmt (mit Hilfe eines Aräometer) oder die Masse der abgesetzten Partikel bestimmt (Sedimentwaage). Moderne Methoden arbeiten mit der Streuung von Laserlicht an den Partikeln, die in Abhängigkeit von der Partikelgröße variiert, oder mit Digitaler Bildverarbeitung. In der Bodenkunde wird ab einer Korngröße von 0,063 mm (und kleiner) die Schlämmanalyse angewendet, in der Baustoffkunde erfolgt die Bestimmung im Auswaschversuch.

Für die Feststellung der Nährstoff-Gehaltsklassen kann die Bestimmung der Körnung von erfahrenen Fachleuten mit der Fingerprobe ermittelt werden. Zur Selbstkontrolle stehen Standardproben zur Verfügung

In der landwirtschaftlichen Bodenuntersuchung wird im Routinebetrieb für die Einteilung der Analysenwerte in Nährstoff-Gehaltsklassen die Fingerprobe (Boden) zur Ermittlung der Bodenart und Körnung eingesetzt. Entsprechend den Anteilen von Sand, Schluff und Ton wird eine Ermittlung des Kalkbedarfs vorgenommen und ein Vorschlag für die umwelt- und bedarfsgerechte Düngung erstellt.

Korngrößenverteilung

Korngrößenverteilung verschiedener Böden in Liniendarstellung

Siehe Hauptartikel: Dispersitätsanalyse

Das Ergebnis einer Korngrößenanalyse ist die Korngrößenverteilung, also eine Häufigkeitsverteilung in Form eines Balken- oder Liniendiagramms. Gegen den klassierten Äquivalentdurchmesser (Abszisse) wird der prozentuale Anteil (Gewichtsprozent) der Körner aufgetragen. Die üblichen statistischen Parameter, wie Mittelwert, Median, Perzentilwerte, Streuung oder Schiefe der Verteilung, außerdem die Ungleichförmigkeit, lassen sich berechnen und damit die Probe bezüglich ihrer Korngröße charakterisieren.

In Produktionsprozessen, bei denen es bei den Rohstoffen oder beim Produkt auf definierte Korngrößen ankommt, sind Korngrößenanalyse und Korngrößenverteilung ein wesentlicher Bestandteil der Qualitätskontrolle. In der Sedimentologie und Bodenkunde ist die Korngrößenverteilung ein sehr wichtiges Merkmal zur Charakterisierung von Böden und Sedimenten. Sie dient deren Klassifikation und ist eigenschaftsbestimmend, beispielsweise bei Wasserhaushalt, Verdichtungspotential oder Hangstabilität.

Korngröße in der Sedimentologie und Bodenkunde

In Sedimentologie und Bodenkunde ist die Korngrößenanalyse eine fundamentale Untersuchungsmethode von Sedimenten, Sedimentgesteinen und Böden. Die Korngrößenverteilung dient der Klassifikation und Nomenklatur sowie der Ableitung und Interpretation von Eigenschaften. In der Bodenkunde wird durch die Gemengeanteile der verschiedenen Korngrößen die Bodenart definiert, die im Zuge der Bodenkartierung im Gelände über die Fingerprobe (Boden) angesprochen wird.

Prinzipiell wird das breite Spektrum in der Geosphäre vorkommender Korngrößen von weit unter einem Mikrometer bis hin zu mehreren Metern logarithmisch in Klassen eingeteilt. Im Detail variiert die Einteilung innerhalb der verschiedenen geowissenschaftlichen Disziplinen von Autor zu Autor oder zwischen verschiedenen Ländern. Im deutschsprachigen Raum besitzt die Klassifikation nach DIN 4022 die größte Verbreitung.

Kornart

Bei der Betrachtung von Böden ist zwischen dem Siebkorn und dem Schlämmkorn zu unterscheiden. Das Siebkorn ist mit bloßem Auge zu erkennen und besitzt eine Korngröße von mehr als 0,063 mm. Im Gegensatz dazu kann das Schlämmkorn nur unter dem Mikroskop sichtbar gemacht werden. Der Korngrößenbereich liegt zwischen 0,0002 mm und 0,063 mm.

Korngrößenklassifikation

Die Einteilung, wie sie in etwa die DIN 4022 (Benennen und Beschreiben von Boden und Fels) gibt. Die DIN 18196 (Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke) ^[1] ist damit weitgehend konform, kennzeichnet aber etwas anders und setzt andere Rahmenbedingung. Je nach Autor und besonders in den USA sind die Klassengrenzen geringfügig bis deutlich anders, wobei auch nur die Bezeichnungen der Großgruppen international einheitlich sind.

Bezeichnung			Äquivalent- durchmesser in mm	anschaulicher Vergleich	Symbol		Bodentyp		Kornart
Großgruppe	Kleingruppe
	gerundet	eckig-kantig					Feinheit	Bindigkeit
Steine8	Blöcke1		> 200	größer als Hühnereier	Y		Grobboden (Bodenskelett)	nichtbindige Böden	Siebkorn
	Gerölle, Geschiebe	Grobsteine (Schutt)	63 - 200		X
Kies2	Grobkies	Mittelsteine(Schotter)7	20 - 63	kleiner als Hühnerei / größer als Haselnüsse	gG	G
	Mittelkies	Feinsteine (Splitt)6 7	6,3 - 20	kleiner als Haselnüsse / größer als Erbsen	mG
	Feinkies3	Grus6	2 - 6,3	kleiner als Erbsen / größer als Streichholzköpfe	fG
Sand2	Grobsand3		0,63 - 2	kleiner als Streichholzköpfe / größer als Grieß	gS	S	Feinboden
	Mittelsand		0,2 - 0,63	gleich Grieß	mS
	Feinsand		0,063 - 0,2	kleiner als Grieß, aber mit bloßem Auge noch erkennbar5	fS
Schluff2 (Silt4)	Grobschluff		0,02 - 0,063	mit bloßem Auge nicht mehr erkennbar	gU	U		bindige Böden	Schlämmkorn
	Mittelschluff		0,0063 - 0,02		mU
	Feinschluff		0,002 - 0,0063		fU
Ton9 (Feinstkorn)	Grobton		0,00063 - 0,002		gT	T
	Mittelton		0,0002 - 0,00063		mT
	Feinton		< 0,0002		fT

¹ je nach Genese Blockschutt, Blockgeröll, Blockhalde

² Bezugnehmend auf Von Engelhardt wurden 1953 die Begriffe Pelit (< 0,063 mm), Psammit (0,063 - 2 mm) und Psephit (> 2 mm) eingeführt.

³ Den Grenzbereich zwischen Grobsand und Feinkies bezeichnet man nach von Engelhardt auch als Grand

⁴ Nach von Engelhardt Silt für den Grenzbereich zwischen Grobton und Feinsand (Schluff nach DIN)

⁵ Nach EN 12620 u.a. im Bauwesen < 0,063 Gesteinsmehl, siehe Gebrochene Mineralstoffe

⁶ EN 12620 u.a.: 2–32 mm Splitt

⁷ EN 12620 u.a.: 32–63 mm Schotter

⁸ Schroppen im Bauwesen

⁹ Klastische Karbonatgesteine klassifiziert man nach Robert L. Folk (1962) mit zunehmender Größe als Mikrit, Lutit, Siltit, Arenit und Rudit

Korngröße in der Petrologie und Mineralogie

In der Petrologie (Gesteinskunde) und Mineralogie wird zwischen der absoluten und der relativen Korngröße im Gefüge von Gesteinen und Mineral-Aggregaten unterschieden.

Absolute Korngröße

Die absolute Korngröße lässt sich bereits grob mithilfe des Auges oder des Mikroskops abschätzen. Zur Unterscheidung werden dafür die Begriffe makrokristallin (mit bloßem Auge erkennbar), mikrokristallin (nur unter dem Mikroskop erkennbar) und kryptokristallin (unter dem Mikroskop nicht mehr aufzulösen) verwendet.

Grob- bis riesenkörnige Kristallgefüge entsprechen mit einer durchschnittlichen Korngröße von 5 bis 30 mm in etwa der Klasse der Kiese. Mittelkörnige Kristallgefüge besitzen eine durchschnittliche Korngröße von 1 bis 5 mm bilden den Übergang zwischen Kies- und Sandgesteinen. Ein feinkörniges Gefüge von weniger als einem Millimeter liegt bei einem mittelfeinem Sandstein vor. Bei Mikrolithen oder auch Kristalliten beträgt die durchschnittliche Korngröße nur wenige Mikrometer (µm).

Relative Korngröße

Die relative Korngrößenbestimmung vergleicht im Gesamtgefüge die einzelnen Kristallite (Körner) untereinander. Bei einem gleichkörnigen Gefüge zeigen entsprechend die Einzelkristalle nur geringe Größenunterschiede.

Ungleichkörnige Gefüge können dagegen sehr unterschiedlich ausgebildet sein. Größere Kristalle sind in einer feinkörnigen Kristallmatrix eingebettet und werden porphyrische Gefüge genannt. Vitrophyrische Gefüge betten größere Kristalle in einer glasigen Grundmasse ein und in glomerophyrischen Gefügen liegen Kristallaggregate in einer feinkörnigen Matrix vor.

Zusätzlich kann die Korngröße innerhalb eines Gesteins variieren. Das bedeutet, dass sie sich in serialen Gefügen in bestimmten, stetigen Intervallen ändert, oder sie ändert sich in hiatalen Gefügen unregelmäßig bzw. unstetig.

Literatur

• Robert L. Folk: Practical petrographic classification of limestones, American Association of Petroleum Geologists Bulletin, 1959, v. 43, Seite 1-38.
• Robert L. Folk: Spectral subdivision of limestone types, in Ham, W.E., ed., Classification of Carbonate Rocks-A Symposium, American Association of Petroleum Geologists Memoir 1, 1962, Seite 62-84

Weblinks

• Korngrößendreieck
• Uni Münster - Gefüge vulkanischer Gesteine
• Weitere Informationen zu Korngrößen und deren Bestimmung (PDF-Datei; 389 KB)
• Tabelle von Standard-Einteilungen der Korngrößenklassen nach phi-Skala bzw. Äquivalentdurchmesser
• Vergleich der Korngrößenbezeichnungen von Schleifsteinen nach deutscher und japanischer Norm

Einzelnachweise

1. ↑ Bodenklassifikation nach DIN 18196, XfaWeb-Fachsysteme, Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW)