آزمایش هیدرومتری خاک

آزمایش هیدرومتری خاک بخشی از آزمایش دانه بندی است که جهت دانه بندی خاک های بسار ریز دانه که عبوری از الک شماره ۲۰۰ هستند مناسب است. اساس آزمایش هیدرومتری بر پایه تفاوت در سرعت ته نشین شدن ذرات خاک بنا شده است. در آزمایش هیدرومتری از قانون استوکس استفاده می شود. این قانون بیانگر آن است که ذرات خاک با چگالی و قطر بزرگتر، با سرعت بیشتری ته نشین می شوند. در این آزمایش از ابزاری به نام هیدرومتر که دارای چگالی ثابت و معینی است استفاده می شود. از آزمایش هیدرومتری نمی توان برای خاک های درشت دانه استفاده کرد، چرا که ذرات خاکی اندازه بزرگی داشته باشند، هنگام حرکت جریان را مغشوش کرده و در این شرایط قانون استوکس برقرار نبوده و به جای آن قانون حرکت براونی حاکم می شود که مانع از سقوط دانه های خاک می گردد.

اهمیت و کاربرد آزمایش هیدرومتری خاک

• تعیین بخش با اندازه رس ، که مصالح ریز تر ار ۲ میکرون را شامل می شود. همراه با شاخص خمیری (روش آزمون D۴۳۱۸) 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 ۱۰۰ میکرون تا ۱ 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.

وسایل مورد نیاز آزمایش هیدرومتری

• ترازو با دقت ۰٫۰۱ گرم
• مخلوط کن استاندارد
• هیدرومتر با استاندارد ۱۵۱H و یا ۱۵۲H
• ماده پراکنده ساز مثل هگزامتافسفات سدیم
• کرونومتر یا هر وسیله دیگر برای اندازه گیری زمان مثل ساعت
• استوانه رسوب گذاری مدرج با قطر ۲٫۵ اینچ و ارتفاع ۱۸ اینچ دارای حجم یک لیتر
• دماسنج با دقت ۰٫۵ درجه سیلسیوس

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 ۱۰ (۲ میلیمتر) باشد ، مصالح باید با استفاده از الک نمره ۱۰ یا الک ریز تر جدا شوند که این کار ، با روش شست و شو بر روی الک نمره ۱۰ انجام می شود. مصالح عبوری از الک جداسازی (الک نمره ۱۰) 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 ۱ گرم
• Hc : ظرفیت هیدرومتر بر حسب گرم (۴۵ گرم برای هیدرومتر ۱۵۱H یا ۵۵ گرم برای هیدرومتر ۱۵۲H)
• est% : درصد مصالح عبوری از الک نمره ۲۰۰ (۷۵ میکرون) با دقت ۱ درصد
• Wcest: درصد رطوبت برآورده شده ، با دقت ۱ درصد

فرآیند تست هیدرومتری

آزمایش هیدرومتری بر اساس استاندارد ASTM D 422-63 انجام می شود.
روند انجام این تست آزمایشگاهی به صورت زیر است:

• در صورتی که بیشتر دانه های موجود در نمونه خاک مد نظر جهت انجام آزمایش سیلتی یا رسی بوده، ۵۰ گرم و در صورتی که بیشتر دانه ها ماسه ای باشند ۱۰۰ گرم خاک جهت آزمایش هیدرومتری انتخاب نمایید.
• نمونه را با ۱۲۵ میلی لیتر محلول ۴۰ گرم بر لیتر هگزا متا فسفات سدیم مخلوط کنید.
• لازم است نمونه را به مدت ۱۶ ساعت در این حالت قرار دهید تا نمونه کاملا خیس خورده و دانه های به هم چسبیده جدا شوند.
• نمونه را داخل مخلوط کن ریخته و کاملا مخلوط نمایید.
• تمام محتویات ظرف را درون استوانه مدرج ریخته و با اضافه کردن آب مقطر، حجم آن را به یک لیتر برسانید.
• درپوش لاستیکی را روی دهانه استوانه قرار دهید.
  با واژگون کردن استوانه کاری کنید تا محتویات استوانه کاملا مخلوط گردد.
  این عمل را یک دقیقه ادامه دهید تا اطمینان حاصل گردد که تمامی ذرات معلق بوده و هیچ دانه ای ته نشین نشده است.
• استوانه را در محل صاف و بدون حرکتی قرار داده و هیدرومتر را در داخل آن قرار دهید.
• مقادیر هیدرومتر را در بازه های زمانی ۲، ۵، ۱۵، ۳۰، ۶۰، ۲۵۰ و ۱۴۴۰ دقیقه قرائت نمایید.
• پس از هر قرائت، دمای مخلوط را اندازه گیری نمایید.

تذکر ۱: حدود ۲۰ تا ۳۰ ثانیه قبل از قرائت، هیدرومتر را درون مخلوط قرار داده و پس از قرائت آنرا خارج کرده و در آب مقطر قرار دهید.

تذکر ۲: قرائت ها را بر اساس عدد بالای قوس تشکیل شده در سطح مایع انجام دهید.

محاسبات تست هیدرومتری

گام اول: محاسبه عمق موثر (L)

در این قسمت لازم است عمق موثر را با استفاده از جدول زیر محاسبه کنید:
عمق موثر در جدول زیر بر حسب سانتی متر است.

گام دوم: محاسبه مقدار K

در گام دوم لازم است مقدار K را با توجه به جدول زیر محاسبه کنید:
در جدول زیر مقدار دما، بر حسب سیلسیوس می باشد.

گام سوم: محاسبه قطر ذرات (D)

با استفاده از فرمول زیر و با استفاده از دو جدول قبلی، مقدار قطر ذرات را محاسبه کنید:

که در رابطه بالا:

D قطر ذرات بر حسب میلی متر می باشد.

K ضریب ثابتی است که بستگی به دمای مخلوط و چگالی دانه های خاک دارد.

L عمق موثر بوده و مطابق جدول گام اول به دست می آید.

T زمان قرائت بر حسب دقیقه است.

گام چهارم: محاسبه ضریب تصحیح هیدرومتر (α)

با استفاده از جدول زیر می توانید ضریب تصحیح هیدرومتر را برای خاک مورد نظرتان محاسبه کنید.

گام پنجم: محاسبه درصد ریزدانه

با استفاده از فرمول زیر می توانید مقدار درصد ریزدانه که اندازه آنها از قطر محاسبه شده در گام سوم کمتر است را محاسبه کنید:

که در رابطه بالا:

α ضریب تصحیح برای قرائت هیدرومتر است

P درصد ریزدانه می باشد

R قرائت تصحیح شده هیدرومتر است

Ws وزن خاک خشک شده کل انتخاب شده، برای آزمایش هیدرومتری می باشد.

Gs چگالی ویژه دانه های خاک

گام ششم: ترسیم نمودار دانه بندی

گام های یک تا پنج را برای زمان های مختلف تکرار کنید. با استفاده از مقادیر به دست آمده در گام های پنجم و سوم، می توانید نمودار دانه بندی خاک ریزدانه را ترسیم کنید. نمودار ترسیم شده نهایی شما شبیه شکل زیر می شود. در این نمودار بخش افقی، اندازه دانه هاست که از گام سوم به دست می آید. بخش عمودی نمودار، درصد ذرات ریزدانه کوچکتر از D است که از گام پنجم به دست آمد.

امروزه ترسیم نمودار دانه بندی و محاسبات آزمایش دانه بندی توسط نرم افزار های آزمایشگاه خاک صورت می گیرد.
نمودار حاصل شده از آزمایش هیدرومتری در واقع تکمیل کننده نمودار ترسیم شده در آزمایش دانه بندی است. پس لازم است بدانید آزمایش هیدرومتری و دانه بندی مکمل یکدیگر هستند و لازم است حین این آزمایش، تست دانه بندی خاک را نیز به خوبی انجام دهید.

خطاهای موجود در آزمایش

در آزمایش هیدرومتری با خطاهای زیر رو به رو هستیم:

• ممکن است قرائت دقیقا در زمان مشخص شده انجام نشود.
• ممکن است در قرائت چگالی سنج خطا رخ دهد.
• در آزمایش های هیدرومتری معمولا وزن مخصوص ویژه خاک “Gs” برابر مقدار ۲.۶۵ در نظر گرفته می شود که
  ممکن است وزن مخصوص خاک با این مقدار متفاوت باشد.
• امکان پخش نشدن درست و کامل ذرات خاک وجود دارد.
• ممکن است مقدار محلول پراکنده ساز مناسب و کافی نباشد.
• امکان دارد تعداد تکان های استوانه در ابتدای آزمایش کافی نباشد و یا استوانه درست تکان داده نشود.
• امکان دارد که مقدار خاک موجود در محلول بیش از مقدار مورد نیاز باشد.
• قبل از آزمایش، لوله هیدرومتر را باید به خوبی تمیز کنیم؛
  وگرنه خود باعث ایجاد خطا در آزمایش هیدرومتری خواهد شد.
• تغییرات درجه حرارت در زمان آزمایش باید برداشت شود؛
  در غیر این صورت می تواند یکی دیگر از خطاهای موجود در این آزمایش باشد.

محدودیت های موجود در آزمایش هیدرومتری

به صورت کلی می توان گفت که در انجام آزمایش هیدرومتری با دو محدودیت مهم رو به رو هستیم:

1. در این آزمایش فرض بر این است که دانه ها با یکدیگر اندرکنش ندارند.
   همان طور که می دانید در بین ذرات خاک ها مخصوصا رس به دلیل بار الکتریکی که بر روی سطح خود دارند،
   نیروی جاذبه و دافعه الکتریکی رخ می دهد که فرض عدم اندرکنش دانه ها را رد می کند.
2. همان طور که در بخش های قبل گفته شد، آزمایش هیدرومتری بر اساس قانون استوکس عمل می کند و
   فرض بر این است که دانه های خاک کروی هستند.
   با توجه به شکل صفحه ای یا سوزنی دانه های رس، می توان گفت که
   این فرض یکی دیگر از محدودیت های این آزمایش به شمار می رود.

از آنجایی که موضوع “انجام آزمایش خاک” دارای اهمیت ویژه‌ای در زمینه عمران می‌باشد، پیشنهاد می‌کنیم در این زمینه حتما از یک شرکت مهندسی معتبر که علاوه بر مسائل فنی، میزان آشنایی بالایی با مسائل حقوقی عمران نیز داشته باشد، مشاوره بگیرید تا از خسارات احتمالی زیادی که در این مسیر وجود دارد، جلوگیری نمایید.

در خصوص آزمایش هیدرومتری سوال دارید؟

اگر در خصوص انجام آزمایش هیدرومتری و یا مفاهیم مرتبط با این تست آزمایشگاهی سوالی دارید، می توانید در بخش دیدگاه ها در زیر همین نوشتار آن را مطرح کنید. کارشناسان ما پس از چند دقیقه پاسخ شما را خواهند داد.