آزمایش هیدرومتری خاک (دانه بندی ریز دانه)

0

آزمایش هیدرومتری

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.

هدف از این آزمایش، تکمیل بخش ریزدانه (عبوری از الک 10، اندازه 2 میلی متر تا 2 میکرون) منحنی دانه بندی و همپوشانی نتایج با آزمایش الک است.

وسایل آزمایش هیدرومتری خاک

نمونه خاک

50 گرم خاک (خشک شده تحث تاثیر هوا) عبوری از الک شماره 10 (توجه : در صورتی باید 50 گرم خاک استفاده شود که بخش غالب خاک ریزدانه باشد در صورتی که بخش غالب خاک ماسه باشد طبق استاندارد ASTM D422-63 (Reapproved 2002) باید 100 گرم خاک استفاده شود)

ترازو

ترازو با دقت 0.1 گرم

دستگاه مخلوط کن برقی

این دستگاه به وسیله موتور الکتریکی کار می کند. موتور، میله همزن و پره دستگاه را با سرعت 10000 rpm بی آنکه در محلول قرار گیرد می چرخاند.

هیدرومتر 151H

در این آزمایش از هیدرومتر 151H استفاده شده است. این هیدرومتر برای قرائت اعداد در یکای گرم در 1000 سی سی مخلوط آب و خاک کالیبره شده است. قرائت ها با وزن ویژه محلول رابطه مستقیم دارد. هیدرومتر اندازه وزن ویژه را در مرکز حباب خود نشان می دهد. این هیدرومتر بین 0.995 تا 1.038 گرم بر سانتی متر مکعب درجه بندی شده است. دو مدل هیدرومتر 151H و 152H که به ترتیب چگالی سنج و غلظت سنج هستند از نظر اندازه مشابه هم می باشند اما درجه بندی روی آن ها و فرمول های استفاده شده برای محاسبات بعدی در آنها متفاوت است.

محلول جداکننده ذرات خاک از یکدیگر

به عنوان محلول جداکننده از هگزا متا فسفات سدیم (NaPO3) استفاده می شود. این ماده باید با آب مقطر یا آب فاقد املاح به مقدار مشخص (40 گرم در یک لیتر محلول) استفاده شود.

دماسنج با دقت نیم درجه سانتی گراد
استوانه رسوب گذاری (Sedimentation Cylinder) و استوانه شاهد

این استوانه های مدرج:

  • از جنس شیشه
  • به طول تقریبی 457 میلی متر
  • قطر 63.5 میلی متر
  • گنجایش 1000 میلی متر محلول می باشند.
زمان سنج (کرنومتر)
الک استاندارد شماره 10 همراه با سر الک و Pan

نحوه انجام آزمایش هیدرومتری خاک

  • برای انجام آزمایش هیدرومتری خاک مقداری خاک را روی الک استاندارد شماره 10 ریخته و الک می کنیم سپس 50 گرم از خاک عبوری از الک شماره 10 را توسط ترازوی دیجیتالی (با دقت 0.1 گرم) وزن کرده و کنار می گذاریم.
  • محلول جدا کننده با غلظت 40 گرم پودر هگزامتافسفات سدیم NaPO3 در 1 لیتر آب مقطر تهیه می کنیم.
  • این محلول باید به تازگی تهیه شد باشد و مدت زمان زیادی از تهیه آن نگذشته باشد.
  • سپس 125 سی سی از محلول جداکننده را با 50 گرم خاک عبوری از الک شماره 10 داخل کاسه همزن ریخته و به مدت 5 تا 10 دقیقه به وسیله ی دستگاه مخلوط کن مخلوط می کنیم.
  • بر اساس آیین نامه ASTM D422-63 (Reapproved 2002)، خاک باید 16 ساعت در محلول خیس بخورد.
  • در آزمایشگاه ممکن است به دلیل کمبود وقت چنین زمانی را برای خیس شدن خاک اختصاص داده نشود بنابراین محلول را به ظرف مخلوط کن انتقال داده و برای مدت 5 تا 10 دقیقه مخلوط می کنیم.
  • پس از گذشت 5 دقیقه کاسه همزن را برداشته و محلول داخل آن را داخل یک استوانه مدرج می ریزیم سپس توسط آب مقطر حجم محلول داخل بشر را به 1000 سی سی می رسانیم.
  • طبق آیین نامه ASTM D422-63 (Reapproved 2002) باید تمام محتویات ظرف مخلوط کن را به استوانه مدرج منتقل کنیم.
  • باید دقت کنیم که هیچ مقداری از مخلوط خاک و محلول جداکننده در ظرف همزن باقی نماند.

نحوه خواندن استوانه

  • برای خواندن صحیح و درست قرائت ها لازم است یک محلول در استوانه شاهد تهیه کنیم.
  • برای تهیه این محلول 125cc محلول هگزامتافسفات سدیم را داخل استوانه مدرج ریخته و سپس با آب شهری حجم آن را به 1000cc می رسانیم.
  • باید توجه داشت که درون استوانه شاهد نباید خاک بریزیم.
  • استوانه مدرج حاوی خاک را به وسیله دست یا درپوش لاستیکی مسدود کرده و در مدت زمان 60 ثانیه، 60 بار به بالا و پایین می چرخانیم و به طور کامل مخلوط می کنیم.
  • دفعات تکان دادن استوانه در مدت 1 دقیقه باید در حدود 60 بار باشد که هر واژگونی و سپس به حالت اول بازگرداندن آن، 2 بار محسوب می شود.
  • قرائت هیدرومتر را در بازه های زمانی 2، 3 ،5، 30، 60، 250 و 1440 دقیقه (که از آغاز ته نشینی خاک محاسبه می گردد) انجام می دهیم.
  • باید هیدرومتر را 20 تا 25 ثانیه قبل از قرائت، وارد استوانه مدرج حاوی محلول جداکننده و خاک کنیم و پس از هر بار قرائت از محلول خارج کنیم.
  • در زمان های ذکر شده، با دماسنج دمای محلول را در استوانه رسوب گذاری به دست می آوریم.
  • در این آزمایش، قرائت های انجام شده شامل زمان های 2، 3، 5، 30 و 60 دقیقه است.

تصحیح خطاهای ایجاد شده در روند انجام آزمایش

قرائت  هیدرومتر شامل 3 خطای اساسی به شرح زیر است :

  • تمام معادلات و روابط این آزمایش بر اساس استفاده از آب مقطر و بدون املاح (با وزن مخصوص 1 گرم بر سانتی متر مکعب)، تنظیم شده است. با این وجود به دلیل استفاده از محلول جدا کننده در مخلوط  آب و خاک، وزن مخصوص آب بیشتر از 1 بوده و این موضوع باعث ایجاد خطا در محاسبات خواهد شد.
  • هر دو مدل هیدرومتر برای دمای استاندارد 20 درجه سانتی گراد، تنظیم شده اند و هر گونه تغییرات دمای محیط، در مقدار قرائت واقعی هیدرومتر (Actual Hydrometer Reading) تاثیر خواهد گذاشت.
  • مطابق شکل 1 به دلیل نیروی کشش سطحی، سطح آزاد آب در مجاورت هیدرومتر به شکل منحنی با جهت تقعر به سمت بالا قرار میگیرد.

مطابق شکل 1 در تراز مشخص شده R بایستی قرائت هیدرومتر انجام شود اما به دلیل تیره رنگ بودن مخلوط امکان قرائت تراز مشخص شده وجود ندارد و قسمت بالای منحنی مینیسک (Ra) قرائت می شود و سپس با اعمال خطای مینیسک، این قرائت تصحیح می شود.برای به دست آوردن مقدار خطای مینیسک، هیدرومتر را درون استوانه شاهد قرار داده و اختلاف سطح پایین و بالای منحنی مینیسک آب را بدست می آوریم.

این عدد نشان دهنده خطای مینیسک می باشد.

شکل 1

استاندارد ASTM D422-63 (Reapproved 2002) برای تصحیح خطاهای سه گانه فوق، در مجموع یک تصحیح تحت عنوان Composite Correction را در نظر گرفته است.

مقدار Cc برای هیدرومتر 151H برابر اختلاف عدد قرائت شده از استوانه شاهد با عدد 1 و برای هیدرومتر 152H برابر اختلاف عدد قرائت شده با عدد 0 می باشد.

ضریب تصحیح رطوبت Hygroscopic

  • زمانی که نمونه خاک را برای آزمایش اماده میکنیم، بین 10 الی 15 گرم از خاک را جدا می کنیم و آن را درون یک ظرف شیشه ای یا فلزی کوچک درون آون میگذاریم و در دمای (5+110 درجه سانتی گراد) خشک کرده و وزن آن را اندازه می گیریم.
  • ضریب تصحیح رطوبت Hygroscopic در واقع نسبت جرم نمونه خشک شده در آون و نمونه خشک شده در هوا می باشد. این ضریب همواره عددی کمتر از یک است.
  • ضریب در وزن نمونه خاک خشک شده هوا ضرب شود و مقدار وزن اصلاح شده در روابط وارد شود.
  • در این آزمایش این تصحیح محاسبه نشده است.

نحوه محاسبات آزمایش هیدرومتری

گام اول : تصحیح قرائت های واقعی هیدرومتر

ایتدا با استفاده از رابطه زیر تصحیح مربوط به کشش سطحی (خطای مینیسک) را روی قرائت های واقعی هیدرومتر انجام می دهیم.

R=Ra+Cc

در رابطه بالا هر یک از پارامترها به شرح زیر می باشند :

  • R مقدار قرائت انجام شده با اعمال تصحیح Composite Correction
  • Ra مقدار قرائت انجام شده در استوانه رسوب گذاری
  • Cc خطای مینیسک قرائت شده با استفاده از استوانه شاهد

گام دوم: محاسبه درصد خاک باقیمانده در مخلوط در ترازی که هیدرومتر چگالی مخلوط را اندازه گیری می‌کند

برای هیدرومتر 151H داریم :

P=[(100000/W) * G(G-G1)](R-G1)

همچنین در صورت استفاده از هیدرومتر 152H داریم:

P=(Ra/W) * 100

پارامترهای مختلف در روابط بالا به شرح زیر می باشند :

  • P درصد خاک باقیمانده در مخلوط در ترازی که هیدرومتری چگالی مخلوط را اندازه گیری می کند.
  • R قرائت انجام شده برای هیدرومتر با اعمال Composite Correction
  • α ضریب تصحیحی در رابطه مربوط به هیدرومتر 152H کاربرد دارد و از طریق جدول 1 محاسبه می شود.
  • G همان Specific Gravity که به صورت نسبت وزن مخصوص دانه های جامد خاک به وزن مخصوص آب تعریف میشود.
  • G1 وزن مخصوص محلولی می باشد که دانه های جامد خاک در آن غوطه ور می باشند. این ضریب با توجه به اینکه از آب مقطر استفاده شده است برابر 1 است.
مقادیر ضریب تصحیح α
Specific Gravity Caorrection Factor
2.95 0.94
2.9 0.95
2.85 0.96
2.8 0.97
2.75 0.98
2.7 0.99
2.65 1
2.6 1.01
2.55 1.02
2.5 1.03
2.45 1.05

گام سوم : محاسبه عمق موثر

مقدار L را می توان بر اساس مقدار قرائت واقعی هیدرومتر (Ra) طبق جدول 2 به دست آورد.

جدول 2 محاسبه عمق موثر بر اساس قرائت انجام شده در استوانه رسوب گذاری بدون اعمال تصحیح خطای Composite Correction
جدول 2
Hydrometer 151H Hydrometer 152H
Actual Hydrometer Reading Effective Depth Actual Hydrometere Reading Effective Depth Actual Hydrometer Reading Effective Depth
1 16.3 0 16.3 31 11.2
1.001 16 1 16.1 32 11.1
1.002 15.8 2 16 33 10.9
1.003 15.5 3 15.8 34 10.7
1.004 15.2 4 15.6 35 10.6
1.005 15 5 15.5
1.006 14.7 6 15.3 36 10.4
1.007 14.4 7 15.2 37 102
1.008 14.2 8 15 38 101
1.009 13.9 9 14.8 39 9.9
1.01 13.7 10 14.7 40 9.7
1.011 13.4 11 14.5 41 9.6
1.012 13.1 12 14.3 42 9.4
1.013 12.9 13 14.2 43 9.2
1.014 12.6 14 14 44 9.1
1.015 12.3 15 13.8 45 8.9
1.016 12.1 16 13.7 46 8.8
1.017 11.8 17 13.5 47 8.6
1.018 11.5 18 13.3 48 8.4
1.019 11.3 19 13.2 49 8.3
1.02 11 20 13 50 8.1
1.021 10.7 21 12.9 51 7.9
1.022 10.5 22 12.7 52 7.8
1.023 10.2 23 12.5 53 7.6
1.024 10 24 12.4 54 7.4
1.025 9.7 25 12.2 55 7.3
1.026 9.4 26 12 55 7.1
1.027 9.2 27 11.9 57 7
1.028 8.9 28 11.7 58 6.8
1.029 8.6 29 11.5 59 6.6
1.03 8.4 30 11.4 60 6.5
1.031 8.1
1.032 7.8
1.033 7.6
1.034 7.3
1.035 7
1.036 6.8
1.037 6.5
1.038 6.2
محاسبه عمق:

برای محاسبه عمق موثر می توان از رابطه تجربی زیر نیز استفاده کرد، پارامترهای مختلف این رابطه در شکل 1 آورده شده است.

L = L1 + (0.5*[L2-(Vb/A)])

در رابطه بالا پارامترهای مختلف به شرح زیر می باشند :

  • L1 = فاصله بالای حباب هیدرومتر تا محل قرائت هیدرومتر
  • L2 = طول حباب هیدرومتر
  • VB = حجم هیدرومتری که می توان برای محاسبه آن جرم هیدرومتر را با دقت 0.01 گرم اندازه گیری کرد و با توجه به این نکته که حجم هیدرومتر با واحد میلی لیتر، تقریبا برابر است با جرم آن با واحد گرم، این پارامتر را محاسبه نمود.
  • A = سطح مقطع استوانه ته نشینی با واحد سانتی متر مربع

برای محاسبه پارامترهای مختلف رابطه 3 می توان از مقادیر شکل 2 استفاده کرد.

For both hydrometers 151H and 152H:

L2 = 140 cm
VB = 67 cm3
A = 27.8 cm2

For hydrometer 151H:

L1 = 10.5 cm for a reading of 1 = 2.3 cm for a reading of 1.031

For hydrometer 152H:

L1 = 10.5 cm for a reading of 0 g/litre = 2.3 cm for a reading of 50 g/litre

گام چهارم : محاسبه اندازه ذرات خاک

برای محاسبه اندازه ذرات خاک (D) با واحد میلی متر می توان از روابط زیر استفاده کرد:

D = √[30n/980(G – G1)] * L / T)

D = K √L/T

  • η ضریب ویسکوزیته یا روانگرایی سوسپانسیون (محلولی که خاک و محلول جداکننده در آن غوطه ور می شوند)، در آزمایش هیدرومتری از آب استفاده شده است. این ضریب برای محلول سوسپانسیون وابسته به دما است و مقدار ثابتی نیست، از آنجایی که اندازه گیری این ضریب در آزمایشگاه دشوار است، از نتایج تجربی بدست آمده برای این ضریب (با استفاده از روابط بالا ) استفاده میکنیم.
  • L عمق موثر با واحد سانتی متر
  • T زمان سپری شده از آغاز زمان تهنشین شدن خاک تا زمان قرائت با واحد دقیقه
  • K ضریبی است که طبق جدول 3 به دست می آید.
جدول 3 – ضریب K
جدول 3
Temperature, C 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8
16 0.0151 0.01505 0.01481 0.01457 0.01435 0.01414 0.01394 0.01374
17 0.01511 0.01486 0.01462 0.01439 0.01417 0.01396 0.01376 0.01356
18 0.01492 0.01467 0.01443 0.01421 0.01399 0.01378 0.01359 0.01339
19 0.01474 0.01449 0.01425 0.01403 0.01382 0.01361 0.01342 0.01323
20 0.01456 0.01431 0.01408 0.01386 0.01365 0.01344 0.01325 0.01307
21 0,01438 0.01414 0.01391 0.01369 0.01348 0.01328 0.01309 0.01291
22 0.01421 0.01397 0.01374 0.01353 0.01332 0.01312 0.01294 0.01276
23 0.01404 0.01381 0.01358 0.01337 0.01317 0.01297 0.01279 0.01261
24 0.01388 0.01365 0.01342 0.01321 0.01301 0.01282 0.01264 0.01246
25 0.01372 0.01349 0.01327 0.01306 0.01286 0.01267 0.01249 0.01232
26 0.01357 0.01334 0.01312 0.01291 0.01272 0.01253 0.01235 0.01218
27 0.01342 0.01319 0.01297 0.01277 0.01258 0.01239 0.01221 0.01204
28 0.01327 0.01304 0.01283 0.01264 0.01244 0.01225 0.01208 0.01191
29 0.01312 0.0129 0.01269 0.01249 0.0123 0.01212 0.01195 0.01178
30 0.01298 0.01276 0.01256 0.01236 0.01217 0.01199 0.01182 0.01169

درخت دانش آزمایشگاه خاک:

  1. وزن مخصوص ویژه Gs خاک
  2. آزمایش تعیین درصد طوبت خاک
  3. آزمایش تحکیم
  4. آزمایش دانه بندی درشت دانه
  5. آزمایش هیدرومتری (ریزدانه)
  6. آزمایش برش مستقیم
  7. آزمایش حدود اتربرگ
  8. آزمایش سه محوری

 

برای امتیاز به این نوشته کلیک کنید!
[کل: 0 میانگین: 0]

پاسخ دهید