مکانیک خاک

آزمایش هیدرومتری خاک ، وسایل لازم کاربرد و روش انجام آزمایش + فیلم

آزمایش هیدرومتری خاک ، وسایل لازم کاربرد و روش انجام آزمایش + فیلم

آزمایش هیدرومتری خاک برای تعیین کیفی توزیع اندازه ذرات بخش ریزدانه خاک ها کاربرد دارد. برای تعیین توزیع اندازه ذرات (دانه بندی) مصالح که کوچکتر از الک نمره 200 و بزرگتر از حدود 0.2 میکرون هستند از روش رسوب گذاری یا هیدرومتری استفاده می شود.

آزمایش هیدرومتری خاک بر روی مصالح عبوری از الک نمره 10 (2 میلیمتر) یا الک ریزتر انجام شده و نتایج حاصل از آن به صورت درصد عبوری ذرات ، در مقابل لگاریتم قطر ذرات ترسیم می شود. از این آزمایش می توان برای ارزیابی بخش ریزدانه یک خاک با محدوده وسیعی از اندازه ذرات ترسیم می شود. از این روش می توان برای ارزیابی بخش ریزدانه یک خاک با محدوده وسیعی از اندازه ذرات ، به واسطه ی ترکیب نتایج رسوب گذاری ، با نتایج حاصل از تحلیل الک (دانه بندی) در یک منحنی دانه بندی کامل استفاده نمود. همچنین ، زمانی که ذرات درشت دانه وجود ندارند یا زمانی که دانه بندی مصالح درشت دانه مورد نیاز نیست از این روش استفاده می شود.

حداقل مقدار ریزدانه ها در نمونه رسوب گذاری ، معادل 15 گرم است. برای مثال ، ماسه های تمیز ، مقادیر قابل تشخیصی از ذرات با اندازه لای و رس ندارند و بنابراین ، نباید با این روش آزمایش شوند.

هنگام ترکیب نتایج آزمایش های رسوب گذاری و الک، دستیابی به مصالح برای تحلیل رسوب گذاری و محاسبات ترکیب نتایج ، با روش آزمون کلی تری مانند ASTM D6913 ارائه می گردد.

کمیته فرعی D18.03 در حال حاضر، در حال توسعه روش آزمون جدیدی با عنوان “روش آزمون برای تحلیل اندازه ذرات خاک ها با ترکیب روش های الک و رسوب گذاری” است.

تحلیل رسوب گذاری یا همان آزمایش هیدرومتری خاک مبتنی بر این مفهوم است که در یک سیال ، ذرات بزرگتر یا سرعت بیشتری نسبت به ذرات کوچکتر سقوط می کند. قانون استوکس معادله حاکم برای تعیین سرعت نهایی ذرات کروی برای سقوط در یک مایع ایستا را بیان می کند. سرعت نهایی با مربع قطر ذرات متناسب است.

بنابراین ذرات هنگام ته نشینی در ظرفی از مایع، در زمان و مکان، براساس اندازه پراکنده می شوند.

قانون استوکس دارای چندین فرضیه است که عبارتند از:

  • ذرات کروی و صاف هستند.
  • هیچ گونه تداخلی بین سقوط ذرات وجود ندارد.
  • هیچ اختلافی بین جریان در وسط ظرف و کناره ها وجود ندارند.
  • جریان لایه ای و آرام است.
  • ذرات دارای چگالی یکسان هستند.

این فرضیات ، برای ذرات خاک با شکل ها و اندازه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. برای اندازه گیری چگالی سیال و تعیین مقدار ذرات در سوسپانسیون در زمان و مکان خاص ، از یک هیدرومتر استفاده می شود. دانسیته سوسپانسیون خاک – آب به غلظت و چگالی ویژه ذرات خاک و مقدار پراکنده ساز اضافه شده وابسته است. از هر اندازه گیری هیدرومتر در زمان سپری شده برای محاسبه درصد ذرات ریزتر از قطر ارائه شده توسط قانون استوکس استفاده می شود. مجموعه قرائت ها توزیع وزن مصالح را به عنوان تایی از اندازه ذرات نشان می دهد.

آزمایش هیدرومتری خاک ، تهیه نمونه یا عمل آوری نمونه را قبل از دستیابی به نمونه غیر معرف و دست خورده پوشش نمی دهد. فرض بر این است که نمونه با روش ها مناسب به عمل آمده و معرف مصالح یا شرایط سایت است همچنین فرض می شود که نمونه به گونه ای عمل آوری شده است که نمونه دست خورده انعکاسی از توزیع دقت اندازه ذرات (دانه بندی) بخش ریز تر مصالح است.

عمل آوری مصالح – ماصلح در حالت مرطوب ، یا در همان حالتی که دریافت شده اند، مورد آزمایش قرار می گیرند مگر این که هنگام دریافت ، در حالت خشک شده در هوا باشند. برای به دست آوردن نمونه آزمایش رسوب گذاری از نمونه دست خورده باید از روش آماده سازی تر استفاده گردد. روش اماده سازی ممکن است توسط متقاضی آزمایش مشخص شود.

این آزمایش برای خاک های زیر مجاز نمی باشد.

  • خاک های حاوی پیت (خاک نباتی)
  • خاک های حاوی مقادیر کمتر از 5 درصد از مصالح ریز دانه
  • خاک های حاوی ناخالصی هایی مانند حلال های آلی ، روغن ، آسفالت قطعات چوب یا موارد مشابه

در صورتی که ناخالصی ماده ای مانند چوب باشد که به آسانی با دست جدا شود ، استفاده از این مصالح ، مجاز است. با این حال ممکن است مواردی وجود داشته باشد که در آن ، ناخالصی به عنوان بخشی از مصالح ارزیابی شود. در این صورت نباید ناخالصی از مصالح جدا گردد.

  • مصالح حاوی مواد سیمانی ، مانند سیمان ، خاکستر بادی ، آهک یا سایر افزودنی های تثبیت کننده.

اهمیت و کاربرد آزمایش هیدرومتری خاک

  • تعیین بخش با اندازه رس ، که مصالح ریز تر ار 2 میکرون را شامل می شود. همراه با شاخص خمیری (روش آزمون D4318) برای محاسبه فعالیت که نشانه ای از کانی شناسی بخش رسمی ارائه می دهد ، مورد استفاده قرار می گیرد.
  • دانه بندی بخشهای با اندازه لای و رس ، عامل مهمی در تعیین حساست خاک های ریزدانه در برابر یخبندان است.
  • دانه بندی یک خاک ، شاخصی از ویژگی های مهندسی است. هدایت هیدرولیکی ، تراکم پذیری (نشست) و مقاومت برشی با دانه بندی خاک مرتبط است. با این حال رفتار مهندسی به عوامل بسیاری چون تنش موثر ، نوع مواد معدنی ، بافت ، خاصیت خمیری و منشا زمین شناسی وابسته بوده و تنها مبتنی بر دانه بندی نیست.
  • محدوده اندازه در آزمون رسب گذاری از حدود 100 میکرون تا 1 میکرون است. زمان مورد نیاز برای رسیدن به قرائت پایدار اولیه در هیدرومتر ، کنترل کننده محدوده فوقانی نتایج و مدت زمان آزمایش ، کنترل کننده محدوده پایینی است.
  • شکل و دانسیته دانه ها برای نتایج دارای اهمیت هستند فرض بر این است که قانون استوکس برای ذرات کروی معتبر است ، حتی اگر ذرات ریز با اندازه لای و رس ورقه ای شکل و دارای چگالی معدنی بالاتری نسبت به ذرات بزرگتر باشند.

آماده سازی نمونه آزمون برای آزمایش هیدرومتری خاک

در این استاندارد ، دو روش برای تهیه نمونه رسوب گذاری ، از نمونه دست خورده ارائه شده است روش تر و روش خشک شده در هوا

آزمایش ، نباید بر روی مصالح خشک شده در گرمخانه انجام شود.  روش آماده سازی تر به عنوان روش مبنا و برای مصالحی استفاده می شود که در حالت خشک شده در هوا دریافت نشده اند. در صورتی که مونه در وضعیت خشک شده دریافت شود از روش آماده سازی خشک شده در هوا استفاده می شود. اگر نمونه دست خورده، حاوی ذرات بزرگتر از الک نمره 10 (2 میلیمتر) باشد ، مصالح باید با استفاده از الک نمره 10 یا الک ریز تر جدا شوند که این کار ، با روش شست و شو بر روی الک نمره 10 انجام می شود. مصالح عبوری از الک جداسازی (الک نمره 10) اصطلاحا نمونه رسوب گذاری نامیده شده و باید الزامات حداقل جرم مندرج در جدول زیر را بر آورده سازد.

مقدار جرم مرطوب مورد نیاز برای آزمایش رسوب گذاری ، با استفاده از معادله زیر بر آورد می شود.

در رابطه فوق:

  • Mmest : جرم مرطوب برآورده شده با دقت 1 گرم
  • Hc : ظرفیت هیدرومتر بر حسب گرم (45 گرم برای هیدرومتر 151H یا 55 گرم برای هیدرومتر 152H)
  • est% : درصد مصالح عبوری از الک نمره 200 (75 میکرون) با دقت 1 درصد
  • Wcest: درصد رطوبت برآورده شده ، با دقت 1 درصد

جرم نمونه آزمون رسوب گذاری ، باید بر اساس مقدار مصالحی که در زمان اولین قرائت در سوسپانسیون بوده اند، انتخاب گردد. با در نظر گرفتن ظرفیت هیدرومترها ، جرم مرطوب ، باید برای محاسبه درصد رطوبت و بخش ذرات بزرگتر از الک نمره 200 تنظیم گردد. برای مثال ، اگر درصد رطوبت معادل 20 درصد برآورد شود با استفاده از هیدرومتر 151H و با توجه به مقدار برآورده شده برای درصد عبوری از الک نمره 200 معادل 95 درصد جرم مرطوب به میزان 57 گرم تعیین می شود.

شرح روش آزمایش هیدرومتری خاک

۵ ± 0.1 گرم از هگزامتافسفات سدیم را به نمونه رسوب گذاری در ظرف اختلاط نمونه اضافه کنید یا این مقدار پراکنده ساز را در ۱۰۰ میلی لیتر از آب آزمایش حل کرده و آن را به نمونه رسوب گذاری اضافه کنید. مقدار واقعی پراکنده ساز، Mdisp که در ظرف قرار گرفته یا در آب حل شده را با دقت 0.01 گرم یادداشت کنید.

در صورت استفاده از دستگاه همزن، دوغاب را به فنجان دستگاه همزن منتقل کنید. برای کمک به انتقال تمام دوغاب به فنجان دستگاه همزن، از یک بطری آبفشان استفاده می شود. آب را به اندازه ای اضافه کنید که فنجان نیمه پر شود. سپس، از دستگاه همزن برای اختلاط خاک برای حدود ۱ دقیقه استفاده کنید.

تمام دوغاب را به استوانه رسوب گذاری منتقل کنید. برای حصول اطمینان از انتقال کامل دوغاب به استوانه، مجددا از آبفشان استفاده کنید. با اضافه کردن آب به استوانه رسوب گذاری، قسمت انتهایی قوس دوغاب را به نشانه عدد 1000mL±1mm برسانید.

میکسر هیدرومتری برای آزمایش هیدرومتری خاک

خرید میکسر هیدرومتری از فروشگاه تجهیزات آزمایشگاهی

در صورت استفاده از دستگاه جت هوا از نوع لوله ای، برای انتقال دوغاب به استوانه رسوب گذاری، از یک آبفشان پر شده از آب، برای کمک به انتقال دوغاب و اطمینان از انتقال کامل آن استفاده کنید. با افزودن آب، حجم را در استوانه رسوب گذاری، به حداکثر ۲۵۰ میلی لیتر برسانید. قبل از قرار دادن دستگاه در داخل استوانه، اجازه دهید که هوا به آرامی جریان یابد، تا زمانی که عدد قرائت شد گیج، ۷ کیلوپاسکال باشد. این فشار اولیه، برای جلوگیری از وارد شدن جت های هوا به داخل دوغاب، زمانی که دستگاه داخل استوانه قرار داده می شود و برای حذف آب تغليظ شده در خطوط، لازم است. برای خاکهای رسی، فشار را به ۱۷۲ کیلوپاسکال و برای خاکهای ماسه ای، به ۶۹ کیلوپاسکال افزایش دهید. زمانی که فشار لازم حاصل گشت، دوغاب را برای مدت ۵ دقیقه به هم بزنید. در پایان ۵ دقیقه، فشار را به ۷ کیلوپاسکال کاهش داده و جت های هوا را از دوغاب خارج کرده و دوغاب باقیمانده بر روی دستگاه را بشویید. زمانی که دستگاه شسته شد، جریان هوا را قطع کنید و با اضافه کردن آب به استوانه رسوب گذاری، انتهای قوس دوغاب را به نشانه 1000mL+1mm برسانید.

دوغاب را با استفاده از همزن (تلمبه مشبک) یا سر و ته کردن استوانه مخلوط کنید که البته دستگاه همزن برای اختلاط ارجح است.

در صورتی که مقدار زیادی کف در قسمت بالای دوغاب پس از اختلاط وجود دارد، قبل از شروع آزمایش، کف ها را با استفاده از ایزوپروپانول کاهش دهید. برای استفاده از همزن، تیغه مخلوط کن را در 1/4 پایینی استوانه وارد کنید. همزن را در سرعت حدود یک دور در ثانیه تکان دهید. برای استفاده از روش سر و ته کردن، یک درپوش لاستیکی در انتهای باز استوانه قرار دهید، یا کف دست را در این قسمت قرار دهد استفاده از این روش، خیلی کارآمد نبوده و هنگام آزمایش بر روی خاک رس با خاصیت خمیری بالا، لازم است که سر و ته کردن، برای بیش از یک دقیقه ادامه یابد

برای به تعادل رساندن مخلوط از لحاظ دمایی، استوانه را بپوشانید و در محلی با دمای نسبتا ثابت یا در اتاق جداگانه ای در یک دمای کنترل شده قرار دهید. دوغاب، اکنون به عنوان یک سوسپانسیون خاک برای آزمایش آماده است. دوغاب را از لحاظ وجود ذرات فلوکوله با لخته شدگی کنترل کنید. در صورت لخته شدگی، آزمایش از اعتبار ساقط است.

زمانی که سوسپانسیون به تعادل دمایی رسیده و اثری از لخته شدگی در آن نیست، سوسپانسیون، مجددا برای ایجاد یک سوسپانسیون یکنواخت، مخلوط می شود. روش اختلاط را به صورتی که در بندهای قبل گفته شد (روش همزن یا سر و ته کردن)، تکرار کنید. به محض اتمام هم زدن، کنترل کنید که استوانه در سطح پایداری باشد و فورا زمان سنج را روشن کنید. در صورتی که پس از اختلاط، مقدار قابل توجهی کف در بالای سوسپانسیون وجود داشته باشد، برای کاهش یا حذف کف، سه قطره ایزوپروپانول به سوسپانسیون اضافه کنید در صورت استفاده از روش همزن برقی، زمان سنج را زمانی روشن کنید که تیغه مخلوط کن، از سطح سوسپانسیون خاک جدا می شود. پس از خارج کردن همزن، اجازه دهید سطح مایع ساکن شود و آن را در استوانه رسوب گذاری تخلیه کنید. در صورت استفاده از روش کج کردن سر و ته کردن)، زمان سنج را پس از اتمام آخرین وارونه کردن روشن کنید

قرائت های هیدرومتر، باید در زمانهای سپری شده حدود ۱، ۲، ۴، ۱۵، ۳۰، ۶۰ ، ۲۴۰ و ۱۴۴۰ دقیقه صورت گیرند. برای تعیین بهتر توزیع اندازه ذرات (دانه بندی)، می توان قرائت های بیشتری نیز انجام داد. حدود ۱۵ تا ۲۰ ثانیه قبل از یک قرائت، زمان لازم است. در زمانهای سپری شده مذکور و هنگامی که هیدرومتر پایدار است، قرائت هیدرومتر، rm را یادداشت نموده و زمان سپری شده، tm را یادداشت کنید.

هیدرومتر خاک برای آزمایش هیدرومتری خاک

خرید چگالی سنج خاک (هیدرومتری) آمریکایی از فروشگاه اینترنتی آزمان

هنگام بیرون آوردن هیدرومتر از سوسپانسیون، این فرآیند باید حدود ۵ تا ۱۰ ثانیه و با یک حرکت آرام صورت گیرد.

با یک حرکت چرخشی، هیدرومتر را داخل استوانه شست و شوی پر از آب فرو برده و هیدرومتر را تمیز کنید. پس از تمیز کردن هیدرومتر، آن را بیرون آورده و قبل از قرائت بعدی خشک کنید.

فورا پس از انجام قرائت هیدرومتر، دماسنج را وارد سوسپانسیون خاک کرده و دما Tm، را با دقت 0.5 درجه سانتیگراد یادداشت کنید. اگر زمان بین قرائتها از ۵ دقیقه بیشتر شود، پس از خارج کردن دماسنج، برای جلوگیری از تبخیر، استوانه را بپوشانید.

اگر جرم خشک نمونه رسوب گذاری، Md تعیین شده است، سوسپانسیون خاک برای شسته شدن بر روی الک نمره ۲۰۰ آماده است.

سوسپانسیون خاک را بر روی الک نمره ۲۰۰ بریزید. احتیاط کنید که کل محتوای استوانه به الک شست و شو منتقل شود. قبل از انتقال مواد باقیمانده بر روی الک، به داخل ظرف خشک کن گرمخانه، آب حاصل از شست و شو باید شفاف باشد. مشخصات ظرف را یادداشت کنید. مصالح باقیمانده روی الک را در گرمخانه با دمای ۵+۱۱۰ درجه سانتیگراد خشک کنید. معمولا، جرم ثابت در فاصله زمانی ۱۲ تا ۱۶ ساعت حاصل می شود. ظرف را از گرمخانه خارج نموده و اجازه دهید خنک شود. پس از خنک شدن، جرم خشک خاک مانده روی الک ۲۰۰ Mdr را با دقت 0.01 گرم یادداشت کنید. در طول فرآیند شست و شو، پراکنده ساز حذف شده و جرم خشک حاصل، تنها شامل ذرات باقیمانده روی الک است.

محاسبات

برای هر قرائت هیدرومتر 151H درصد وزنی ریزتر با استفاده از معادله زیر محاسبه می شود.

رابطه درصد عبوری برای هیدرمتر 151h

  • Nm: درصد وزنی مصالح ریزتر در قرائت m با دقت 1 درصد
  • Vsp: حجم سوسپانسیون با دقت 0.1 سانتیمتر مکعب
  • Pc: چگالی آب در دمای کالیبراسیون
  • Md: جرم خاک خشک نمونه رسوب گذاری با دقت 0.01 گرم
  • Gs: چگالی ویژه خاک با دقت 3 رقم اعشار (بدون بعد)
  • rm: قرائت هیدرومتر در سوسپانسیون در قرائت m با دقت 0.00025 (بدون بعد)
  • rdm: انحراف قرائت هیدرومتر از محلول مبنا در همان دمایی که قرائت m صورت میگیرد با دقت 0.0001 (بدون بعد)

منابع

راهنمای جامع آزمایشگاه مکانیک خاک ، مهندسی خاک و ژئوتکنیک نوشته مهندس داریوش مرادی

ASTM D7928

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.