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Bodenverbesserungsmittel Die Erfindung betrifft Mittel zur Verbesserung
der physikalischen Struktur von Böden, die insbesondere der Steigerung der Ernteerträge
von Kulturpflanzen und der Verhinderung der natürlichen Erosion des Kulturbodens
dienen.
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Diese Mittel sind polymere wasserlösliche Polyelektrolyte mit einem
durchschnittlichen Molekulargewicht von wenigstens ioooo, das sich aus der Polymerisation
einer ungesättigten Gruppe herleitet, wobei der Polyelektrolyt ein Vinylmischpolymerisat
von Itaconsäurederivaten, ein Polymerisat von ungesättigten sulfonierten Kohlenwasserstoff
en, ein Polymerisat von N-Vinylamiden, ein Polymerisat von ungesättigten Aminen
oder das Poly merisat von Phthalsäuremonovinylester ist.
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Die Brauchbarkeit und die günstigen Eigenschaften der Bodenschichten
der Ackerkrume und des Untergrundes hängen wesentlich von der physikalischen Struktur
des betreffenden Bodens ab. Obgleich die meisten Böden eine feine Verteilung aufweisen,
wie sie für das Pflanzenwachstum erforderlich ist, fehlen doch bei vielen Böden
andere physikalische Eigenschaften, die das eigentliche Wachstum und die Ausübung
der verschiedenen Pflanzenfunktionen ermöglichen. Außer mit Pflanzennährstoffen
muß ein Boden auch fortlaufend mit Luft und Feuchtigkeit versorgt werden. Böden
von schlechter Struktur können während der feuchten Jahreszeit an Wasserüberfluß
leiden, so daß der für das optimale Wachstum und die Entwicklung der Pflanze notwendige
Luftzutritt unterbunden wird. Böden von schlechter Struktur können infolge übermäßiger
Kapillarwirkung durch Verdunstung von Wasser an der Oberfläche zu schnell Feuchtigkeit
verlieren. Den darin wachsenden Pflanzen fehlt dann die erforderliche fortlaufende
und reichliche
'Versorgung mit Feuchtigkeit. Das wirkt sich besonders
stark aus bei sehr verfestigten Böden, in denen auch das Wachstum der Wurzeln und
Stengel infolge der ungünstigen Wachstumsbedingungen verzögert wird, Böden von schlechter
Struktur unterliegen der Schrumpfung, die eine unerwünschte Verkrustung der Oberfläche
hervorruft und Spalte und Risse erzeugt, die die Übertragung der Feuchtigkeit vom
Boden in die Atmosphäre verstärken. Ferner wird in Böden von schlechter Struktur
häufig ein geringes Keimvermögen der darin ausgesäten Samen beobachtet, das auf
den Mangel sowohl an Luft als auch an Feuchtigkeit zurückzuführen ist, die für ein
normales Keimen erforderlich sind.
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Es ist auch bekannt, daß Böden von schlechter Struktur einer Erosion
ausgesetzt sein können, weil sie, wenn es stark regnet, bald mit Wasser gesättigt
werden und die überschüssige Feuchtigkeit sich dann über die Oberfläche des Bodens
oder in Rinnsalen ergießt. Dieses Oberflächenwasser wäscht die feinen Bodenteilchen
aus, wodurch große Mengen wertvollen Bodens fortgespült werden. Viel Schaden an
Böden schlechter Struktur ist direkt der Einwirkung der Regentropfen zuzuschreiben,
die bestehende Bodenaggregate in kleinere und leichter zu entfernende Bruchstücke
verwandeln. Die Menge des Oberflächenwassers wird sowohl durch die Unfähigkeit des
Bodens, Oberflächenwasser zu absorbieren, als auch durch seine Unfähigkeit, die
Weiterleitung des Wassers zu darunterliegenden Bodenschichten oder zu natürlichen
Wasserwegen herbeizuführen, erhöht.
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Das Problem der Verbesserung der Anbaufähigkeit der Böden und das
Problem der Verhinderung der Bodenerosion können gelöst oder bestehende Nachteile
erheblich vermindert werden, wenn es gelingt, die physikalische Struktur des Bodens
zu verbessern. Wenn der Boden gepflügt und geeggt wird, kann man eine lockere Struktur
desselben herstellen, die die Feuchtigkeit besser zurückhält und genügend Luft zur
Förderung des Pflanzenwuchses enthält. Diese Verbesserung der Bodenstruktur durch
Bearbeitung dauert nicht lange an, und Regen und Sonne bewirken bald, daß der Boden
unter Bildung einer harten, undurchlässigen Kruste zusammenfällt und dabei seine
erwünschten Eigenschaften verliert. Wenn ein Boden jahrelang kultiviert worden ist
und besonders, wenn regelmäßig organische Düngemittel zugeführt werden, kann der
Boden allmählich eine beständigere gute Struktur erhalten. Es wird angenommen, daß
diese Verbesserung der Struktur auf die verschiedenen Humusstoffe, einschließlich
der Polysaccharide, zurückzuführen ist, die durch die Bodenbakterien gebildet werden,
die die zugeführten organischen Bestandteile zersetzen. Die verbesserte Bodenstruktur
ermöglicht es, daß größere Mengen Luft zugegen sind, und gestattet die Aufrechterhaltung
einer gleichmäßigeren Wasserzufuhr zum Boden, wodurch auch ein geeigneteres Medium
für die weitere Entwicklung der Bodenbakterien hergestellt wird, Bei diesem Verfahren
wird die Bodenstruktur durch einen Anhäufungsprozeß (Krümelung) verbessert. Da Ton-
und schwere Lehmböden viele Jahre benötigen, um eine brauchbare Struktur zu entwickeln,
ist es erwünscht, Mittel herzustellen, die die Bildung fruchtbarer Böden beschleunigen.
Die Entwicklung einer guten Struktur durch intensive mechanische Bearbeitung des
Bodens ist nicht nur kurzlebig, sondern auch häufig infolge Abtrennung der flachliegenden
Nährwurzeln für den Pflanzenwuchs nachteilig. Wenn eine dauernd verbesserte Struktur
ohne das mechanische Aufbrechen der Oberflächenschicht erreicht werden könnte, könnten
Wachstumsgeschwindigkeit und Ernteerträge der Kulturpflanzen weiter verbessert werden.
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Böden von bleibend guter Struktur weisen feine Bodenpartikel auf,
die zu größeren Klümpchen oder Krumen zusammengebacken sind, die der Luft leichter
Zutritt zu ihren Zwischenräumen gestatten und die zur gleichen Zeit Wasserdampf
innerhalb der Krumen zurückhalten. Ein Boden mit einer derartigen Struktur verliert
infolge der isolierenden Wirkung der Zwischenräume oder der nicht kapillaren Poren,
die Luft von hohem Feuchtigkeitsgehalt enthalten, die eine übermäßige kapillare
Wirkung verhindert, nicht übermäßig Feuchtigkeit durchVerdunstung. Ein derartiger
Boden schrumpft beim Trocknen nicht ein und bildet keine Spalten und Risse, und
er behält eine natürliche Oberflächendecke bei, die die Verdunstung herabsetzt.
Auf diese Weise kann ein optimaler Feuchtigkeits-und Luftgehalt im Boden lange Zeit
hindurch beibehalten werden.
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Die erfindungsgemäßen Bodenverbesserungsmittel können in verschiedenster
Weise zur schnellen Verbesserung der Struktur von Garten- und landwirtschaftlichen
Kulturböden verwendet werden, insbesondere dort, wo unfruchtbare Untergrundschichten
des Bodens freigelegt worden sind. Sie sind auch bei der Verbesserung durchschnittlicher
Böden zu verwenden, insbesondere in Gegenden, in denen organische Düngemittel nicht
zur Hand sind. Sie sind ferner brauchbar, um das Wachstum von Wurzelfrüchten in
Gegenden zu ermöglichen, in denen dichter * Tonboden die normale Entwicklung solcher.Feldfrüchte
verhindert. Sie sind weiterhin in dürren Gegenden nützlich, wo die Zurückhaltung
der Bodenfeuchtigkeit und die Verminderung der Verdunstung durch die Sonne erwünscht
sind. Sie sind außerdem bei der Anlage von Grünflächen an Wegrändern, bei aufgefüllten
Bodensenkungen und begradigten Böschungen anwendbar, wo eine Erosionsbekämpfung
notwendig ist, bis solche Anpflanzungen fest verwurzelt sind. Überdies ist die Erfindung
bei der Verhinderung der Erosion in Gebieten anwendbar, in denen die Oberflächenvegetation
durch Naturereignisse oder durch Mißbrauch des Bodens zerstört worden ist.
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Es wurde bereits gefunden (vgl. die Patentschriften 893 345 und 897
8q.7), daß Böden, insbesondere Ton- und Schlammböden mit schlechter Struktur, .durch
die Zugabe von Spuren von wasserlöslichen Mischpolymeren von Maleinsäurederivaten
bzw.
von wasserlöslichen Polymeren von Acrylsäure- und Methacrylsäurederivaten sehr verbessert
werden können. Jetzt wurde gefunden, daß man das gleiche Ziel auch mit polymeren,
wasserlöslichen Polyelektrolyten erreicht, die ein Molekulargewicht von wenigstens
ioooo haben und eine im wesentlichen lineare, fortlaufende Kohlenstoffkette enthalten,
die sich von der Polymerisation einer aliphatischen ungesättigten Gruppe herleitet.
Geeignete Polyelektrolyte dieser Art sind die sulfonierten Kohlenwasserstoffderivate,
z. B. das Natriumsalz des sulfonierten Polystyrols, die Polymeren von ungesättigten
Aminen, z. B. Polyvinylpyridin, und die Aminsalze von Polyvinylamin, und die Polymeren
von ungesättigten Amiden, z. B. Poly-N-vinylacetamid und Polyvinylpyrrolidon.
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Die verschiedenen Polyelektrolyte der vorstehend beschriebenen Arten
sind Äthylenpolymere, die-, längs eines im wesentlichen linaeren, fortlaufenden
Kohlenstoffmoleküls verteilte Seitenketten besitzen. Die Seitenketten können Kohlenwasserstoffgruppen,
Carbonsäuregruppen oder deren Derivate, Sulfonsäuregruppen oder deren Derivate,
Phosphonsäuregruppen oder deren Derivate, heterocyclische Stickstoffgruppen, Aminoalkylgruppen,
Alkoxy und andere organische Gruppen sein, deren Zahl und relative Anteile an hydrophilen
und hydrophoben Gruppen derart sein muß, daß eine wasserlösliche polymere Verbindung
entsteht, die eine im wesentlichen große Zahl an ionisierbaren Gruppen aufweist.
Die fortlaufende Kohlenstoffkette muß so lang sein, daß Verbindungen mit einem durchschnittlichen
Molekulargewicht von wenigstens ioooo entstehen.
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Der hier angewandte Ausdruck »wasserlösliche Polymere« umfaßt die
Polymere, die mit Wasser homogene Mischungen bilden, die schwierig löslichen Polymere,
die sich in Gegenwart von Wasser ausdehnen und wenigstens bis zu einem gewissen
Grade lösen, und sogar einige, die in destilliertem Wasser anscheinend unlöslich
sind, sich aber im Bodenwasser zu lösen scheinen. Die Löslichkeit ermöglicht die
Bewegung der Moleküle in der Bodenmasse mit Hilfe der Bodenfeuchtigkeit.
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Obwohl die meisten der oben beschriebenen Polyelektrolyte hydrophiler
Natur sind und den Boden nicht wasserabweisend machen, gibt es doch einige Polymere,
die, obwohl sie wasserlöslich sind, den Boden wasserabweisend machen, wenn sie in
übermäßigen Mengen angewendet werden. Es sind dies jene Polymere, die auf Grund
der Kettenlänge ein verhältnismäßig hohes Molekulargewicht und eine Mindestzahl
an ionisierbaren Gruppen haben. Obwohl Verbindungen dieser Art von beiläufigem Interesse
sind, sind sie bei der Herstellung einer verbesserten Bodenstruktur durchaus wirksam.
Und wenn man sie in sorgfältig abgemessenen Anteilen hinzufügt, kann die unangenehme
wasserabweisende Eigenschaft des behandelten Bodens vermieden werden.
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Die beschriebenen Polymeren werden dem Boden in Mengen von o,ooi bis
2 Gewichtsprozent der bebaubaren Oberfläche zugeführt. Optimale Ergebnisse erhält
man jedoch bei Anwendung von o,oi bis o,2 %.
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Zur Erzielung der günstigsten Wirkung ist das Molekulargewicht des
Polymers von Bedeutung. Es scheint, daß Molekulargewichte über ioooo günstig sind,
daß aber Molekulargewichte über etwa 15 ooo besonders vorteilhaft wirken.
Bei einigen Polymeren erreicht die Wirkung ein Maximum bei 30 ooo bis ioo ooo. Geht
man darüber hinaus, so wird das Polymere dadurch nicht verbessert, obwohl auch keine
ernstliche Verminderung in der Aktivität erkennbar ist. Polymere mit verzweigten
Ketten sind brauchbar, Polymere mit geraden Ketten werden aber bevorzugt.
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Falls erwünscht, können die Polymeren den Böden unmittelbar zugesetzt
werden, gewöhnlich ist es aber zweckmäßiger, die Polymeren mit einem Verdünnungs-
oder Trägermittel zuzusetzen, das ein Lösungsmittel, z. B. Wasser, oder eine feste
Substanz, z. B. Torfmull, Kalkstein, Sand, Ton oder ein anderer Bodenbestandteil,
Mineraldüngemittel, Futtermittelsilagemasse oder ein anderes Dünge- oder Bodenverbesserungsmittel,
sein kann. Wenn man gleichzeitig einen Pflanzennährstoff zugibt, erzielt man auf
dem damit behandelten Boden zusätzlich günstige Ergebnisse hinsichtlich der Wachstumsgeschwindigkeit
der Kulturpflanzen. Die Böden, die durch Düngemittel verbessert worden sind, die
die Polymeren enthalten, ermöglichen ein schnelleres und stärkeres Wachstum der
Kulturpflanzen als das, das man durch das Ausstreuen des Düngemittels allein erzielt.
Die Ausnutzung jedes bekannten, Grundnährstoffe enthaltenden Düngemittels durch
die Pflanzen, z. B. Stickstoff, Phosphorsäure und Kalium, sowie auch von Spurenelementen,
wie Bor, Mangan, Magnesium, Molybdän, Kobalt und Eisen, kann durch den Zusatz der
obigen strukturverbessernden Polymere verbessert werden.
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Die Mischpolymere können chemisch aktive Gruppen besitzen, z. B. Säureanhydrid-,
Carboxyl-, Hydroxyl- oder andere Gruppen, die sich mit den verschiedenen sauren
oder basischen Bestandteilen, die dazugefügt werden, vereinigen können. So können
z. B. die Metallsalze oder der Kalkgehalt der Düngemittel mit den sauren polymeren
Gruppen reagieren; ähnlich können sich die Hydroxyl- oder Aminogruppen der Polymeren
mit den sauren Gruppen der Düngemittel vereinigen. Durch diese Nebenreaktionen veränderte
Polymere sind als Teil der Erfindung anzusehen.
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Erfindungsgemäß werden Böden, und besonders Böden mit schlechter Struktur,
durch innige Verteilung des Polymers im Boden verbessert, was durch Zusetzen des
Polymers und Mischen durch Umgraben, Häufeln, Pflügen, Eggen od. dgl. erreicht werden
kann. Die Polymere scheinen mittels des Bodenwassers zu reagieren; zur wirksamen
Einverleibung ist genügend Feuchtigkeit vorhanden, ehe der Boden trocken wird. Oft
ist es vorteilhaft, sich zusätzlicher Feuchtigkeit zu bedienen, die durch natürlichen
Regen oder durch künstliches Besprühen oder Bewässern geliefert wird. Wenn
man
sich zusätzlicher Feuchtigkeit bedient, ist es erwünscht, daß die Polymere vor dem
Benetzen dem Boden gründlich eingemischt werden. Nach der Verteilung des Polymers
im Boden ist es zuweilen vorteilhaft, den Boden durchzuarbeiten, um feste Aggregate
der gewünschten Größe zu bilden. Die der Bodenoberfläche zugesetzten Polymere werden
schließlich im Boden verteilt, wodurch dessen Struktur verbessert wird; zur wirksamen
Verbesserung ist aber eine längere Zeit erforderlich. In letzterem Fall wird die
polymere Substanz langsam durch den natürlichen Kreislauf von Befeuchten und Trocknen,
Frieren und Auftauen mit dem Boden vermischt.
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Eine andere Methode der Anwendung der Polymere besteht in der Herstellung
wäßriger Lösungen, die den Böden in dieser Form zugesetzt werden. Dieses Verfahren
ist besonders vorteilhaft bei der Behandlung von Feldern, auf denen Pflanzen neu
ausgepflanzt oder die eben mit Saatgut besät worden sind. Bei der Behandlung der
Bodenflächen, auf denen die Pflanzen stehen oder die besät worden sind, kann man
sich leicht auf die entscheidenden Flächen beschränken, ohne Polymere auf den unproduktiven
Flächen zu verschwenden. Es wurde festgestellt, daß Polymerlösungen normalerweise
unbeständige Aggregate allein durch Zusatz dieser wäßrigen Lösungen zu den behandelten
Böden stabilisieren und daß kein weiteres Mischen oder Häufeln erforderlich ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den folgenden speziellen
Beispielen hervor. Beispiel A Wasserlösliche Polymere gemäß der Erfindung und ihre
Lösungen wurden wie folgt hergestellt: i. Polyvinylhydrophthalat. Polyvinylhydrophthalat
wurde in verdünntem, wäßrigem Ammoniak zu einer Lösung des Ammoniumsalzes dieses
Polymers gelöst. Diese Lösung wurde für Bödenverbesserungsversuche verwendet.
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2. Polyvinylpyrrolidon. Polyv inylpyrrolidon wurde durch Polymerisation
von N-Vinylpyrrolidon in wäßriger Lösung hergestellt. Das gebildete Polymer wurde
durch Partialfällung einer Methanollösung mit Äther fraktioniert. Die Fraktion mit
dem höheren Molekulargewicht wurde nach Zusatz zum Boden geprüft.
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3. Styrol-Itaconsäureanhydrid-Mischpolymer. Ein Styrol-Itaconsäureanhydrid-Mischpolymer
wurde in Äthylendichlorid unter Verwendung von 2, 4-Dichlorbenzoylperoxyd als Katalysator
hergestellt. Es wurde durch Lösen in verdünntem, wäßrigem Ammoniak in das Ammoniumsalz
übergeführt. Diese Lösung wurde für Aggregationsversuche im Boden verwendet.
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4. Sulfoniertes Polystyrol. Polystyrol mit einem Molekulargewicht
von etwa 65 000 wurde in Äthylendichloridlösung sulfoniert, wobei als Sulfonierungsmittel
ein 2 : i-Komplex von Bis-ß-chloräthyläther und Schwefeltrioxyd verwendet wurde.
Nach der Isolierung ergab das sulfonierte Polystyrol eine Neutralisationszahl von
22o, was einem Mittel von 0,75 Sulfonsäuregruppen je Phenylgruppe entsprach.
Dieses Polymer wurde zur Anwendung als Bodenverbesserungsmittel in das Natriumsalz
übergeführt.
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5. Polyvinylpiperidon. Piperidon wurde mit Acetylen zu N-Vinylpiperidon
vinyli.ert. Dieses wurde zu einem wasserlöslichen Polymer polymerisiert.
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6. Vinylacetat-Itaconsäureanhydrid-Mischpolymer. Vinylacetat und Itaconsäureanhydrid
wurden unter Benutzung von Äthylendichlorid als Lösungsmittel durch eine »Lösungsmittel-Nichtlösungsmittel«-Polymerisation
mischpolymerisiert. Vinylacetat und Itaconsäureanhydrid wurden im Gewichtsverhältnis
von 0,77 : i angewendet. Das sich ergebende Polymer zeigte auf Grund der
Analyse, daß es etwa 37"/o Vinylacetateinheiten enthielt. Das Polymer wurde den
Böden in Form seines Ammoniumsalzes zugesetzt.
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Alle diese Polymere sind erfindungsgemäß als Bodenverbesserungsmittel
anwendbar, und alle sind Polyelektrolyte, die in wäßrigen Dispersionen ionisieren.
In Berührung mit Wasser lösen sich einige leicht unter Bildung klarer, viskoser
Lösungen auf. Andere sind nicht vollständig löslich, dehnen sich aber mit Wasser
aus, wobei Bruchstücke in genügendem Ausmaß kolloidal oder molekular im Wasser verteilt
werden, um Aggregation im Boden zu veranlassen. Einige der wasserlöslichen Polymere
werden anscheinend von destilliertem Wasser nicht gelöst; Bodenwasser mit seinen
sauren und basischen Lösungsbestandteilen ist aber ein für die wirksame erfindungsgemäße
Verwendung der Mittel als Bodenverbesserungsmittel hinreichendes Lösungsmittel.
Wo die Löslichkeit außerordentlich klein ist, kann eine längere Zeit zur vollständigen
Aggregation des Bodens erforderlich sein. Beispiel B Die Wirkung der Polymere auf
den prozentualen Anteil an wasserbeständigen Aggregaten wurde nach folgendem Verfahren
bestimmt: Zu ioo g Miami-Schlammlehm, der so pulverisiert wurde, daß er durch ein
o,25-mm-Sieb hindurchging, wurden
30 ccm destillierten Wassers zugegeben,
das die angemessene Menge Polymer enthielt. Der Boden wurde gut durchgemischt und
durch ein 4-mm-Sieb gedrückt. Nach wenigstens :2tägigem Trocknen in einem warmen
Raum bei niedriger Feuchtigkeit wurde Luft von 5o° io Minuten lang über den Boden
geblasen, um das Trocknen zu vervollständigen. 40-9-Proben wurden auf das oberste
Sieb eines Satzes von drei Sieben mit Maschenweiten von 0,84 mm, 0,42 mm und o,25
mm, die nach abnehmender Maschengröße angeordnet waren, aufgegeben. Die Siebe wurden
3o Minuten lang in Wasser auf und ab bewegt, und zwar über eine Entfernung von etwa
3,8 cm mit einer Geschwindigkeit von 3o Aufundabbewegungen in der Minute. Nach Ablauf
dieser Zeit wurden die Siebe herausgenommen, ablaufen gelassen, und der Boden wurde
bei 8o° getrocknet und gewogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle i angegeben, wobei
der Prozentgehalt an wasserbeständigen Aggregaten,
die größer als
o,25 mm sind, angeführt ist. Miami-Schlammlehm ohne Zusatz von Polymer ergab fast
keine wasserbeständigen Aggregate.
| Tabelle I |
| Prozentsatz an wasserbeständigen Aggregaten, die |
| größer als o,25 mm sind, in Miami-Schlammlehm |
| nach Behandlung mit Polymeren. |
| Polymer-Nr. Prozentsatz an |
| Polymer im Boden o,r |
| Kontrollversuch z,o ..... - |
| Nr. i .................. 75 |
| Nr. 2 .................. 58 |
| Nr. 3 ................. 88 |
| Nr. 4 .................. 62 |
| Nr. 5 .................. 33 |
| Nr. 6 .................. 75.5 |