آزمایش هیدرومتری

1-       مقدمه

روش هیدرومتری یکی از متداول ترین روش هایی است که برای تخمین اندازه ذرات خاک که از الک شماره 200 گذشته اند تا حدود mm 0.001 به کار میرود. داده های به دست آمده بر روی کاغذ نیمه لگاریتمی رسم میشوند. ممکن است نتایج بدست آمده از این آزمایش در امتداد نتایج بدست آمده از این آزمایش در امتداد نتایج بدست آمده از آنالیز الک در یک کاغذ رسم شوند

در سال 1926 گلداشمیت در نروژ روشی را براساس تعیین وزن مخصوص یک مخلوط خاک در آب با استفاده از یک هیدرومتر جهت تجزیه مکانیکی خاک ها پیشنهاد نمود . این روش در سال 1927 نیز توسط بویوکوس در میشیگان آمریکا بطور مستقل پیشنهاد شد.  روش پیشنهادی توسط این دو دانشمند خالی از خطا نبود و لذا آرتورکاساگرانده بعداَ اصلاحاتی در این روشها بعمل آورد که ما امروزه روش تکمیل شده را مورد استفاده قرارمی دهیم .

وزن مخصوص ویژه خاک اغلب برای ارتباط وزن به حجم مورد استفاده قرار میگیرد.بنابر این با دانستن نسبت تخلخل  و درجه اشباع و وزن مخصوص ویژه میتوانیم وزن واحد حجم خاک را  چه در حالت مرطوب چه خشک بدست آوریم.

وزن مخصوص اکثر کانیهای خاک بین 2.4 تا 2.9 است. وزن مخصوص ویژه اغلب ماسه های رنگ روشن که غالبا از کوارتز تشکیل میشود در حدود 2.65 تخمین زده شده است. خاک های سرب دار 4 و  خاکهای آلی 2 میباشد.

آزمایش هیدرومتری در واقع ادامه‌ی آزمایش دانه‌بندی می‌باشد، در آزمایش دانه‌بندی تعیین درصد وزنی دانه‌های با قطر کمتر از mm075/0 که معادل دانه‌های رد شده از الک 200 می‌باشد مشکل و حتی غیرممکن است به دلیل آنکه هم ساخت الکلهایی با چشمه‌های ریزتر از این مقدار غیرممکن است و هم در این صورت آزمایش خطای زیادی خواهد داشت از اینرو از روشی به نام هیدرومتری یا ته نشینی که مبنی بر قانون استوکس است که البته در آن فرض می‌شود دانه‌های خاک کروی و گرد گوشه‌اند استفاده می‌کنند مطابق این قانون ذراتی که دارای قطر بزرگتری هستند درون یک سیال زودتر ته نشین می‌شوند. البته لازم به ذکر است که این قانون را نمی‌توان برای ذرات کوچکتر از 0002/0 میلی‌متر به کاربرد زیرا ته‌نشینی این ذرات تابع قانون حرکتی برونین است در انتها افزوده می‌شود که هیدرومتری وسیله‌ای است، اساساً برای سنجش چگالی مایعات. در مورد مخلوط آب و خاک از آنجا که عمل ته‌نشینی صورت می‌گیرد چگالی مخلوط در هر عمق نسبت به زمان تغییر کرده و اساس این آزمایش نیز بر مبنای این تغییرات استوار است.

2- نام و هدف آزمایش و شماره‌ی ASTM

روش هیدرومتری (ته نشینی) یکی از روشهای دانه‌بندی قسمت ریزدانه است زیرا دانه‌بندی این خاکها (رد شده از الک 200) به روش الک کردن مقدور نیست لذا از این روش که مبنی بر قانون استوکس است استفاده می‌شود طبق قانون استوکس ذراتی که دارای قطر بزرگتری هستند درون یک سیال زودتر ته نشین می‌شوند. زیرا برای ذرات کوچکتر از این مقدار دیگر قانون استوکس صادق نیست و حرکت این ذرات تابع قانون برونین است.

این آزمایش براساس اندازه‌گیری وزن مخصوص یا گرم در لیتر دانه‌های خاک معلق در آب می‌باشد که با گذشت زمان بتدریج که دانه‌ها رسوب می‌کنند وزن مخصوص مایع کاسته می‌شود. لذا میزان کاهش وزن مخصوص مبنای محاسبه مقدار و اندازه ذرات معلق در آب می‌باشد. که برمبنای آن می‌توانیم منحنی دانه بندی بخش ریز دانه‌ی خاک را رسم نماییم.

 شماره‌ی ASTM آزمایش هیدرومتری422-63 ASTM D 421-58 & D و تعیین وزن مخصوص،   ، ASTM D 854-87   می‌باشد.

3- ابزار مورد نیاز

1)ترازو با دقت اندازه گیری مناسب که ترازوی مورد استفاده دارای دقت 01/0 گرم بود .

2)استوانه رسوب گذار با درپوش مناسب به طول تقریباَ 460 میلیمتر (18  اینچ) و قطر 60 میلیمتر (12/2 اینچ) و ظرفیت 1000 میلی لیتر و مدرج می باشد .

3) استوانه شاهد مشابه استوانه رسوب گذار و بدون در پوش

4)چگالی سنج

5)پیکنومتر

6)قیف

7)بشر

8)آب فشان

9)زمان سنج (کرنومتر)

10)دماسنج

11)ظرف جهت توزین خاک مورد نیاز

12)آب

13)محلول جدا کننده

4- گزارش نحوه‌ی تهیه‌ی نمونه و اجرا

الف) آزمایش هیدرومتری

1-الف- آماده کردن ماده جدا کننده :

دقیقا 40 گرم خاک خشک عبوری از الک 200 را  ابتدا با125 سی سی محلول جداگانه NaPo3 چهار درصد در داخل استوانه مدرج ریختیم و مخلوط کردیم..مایع جدا کننده به منظور جداکردن دانه ها از یکدیگر جهت چسبندگی یا خنثی کردن بارهای الکتریکی ذرات کوچک بکار می رود از مهمترین مواد جداکننده هگزا متافسفات سدیم یا سدیم متافسفات و دیگری سسیلیکات سدیم است .

طبق استاندارد ASTM باید اجازه میدادیم تا مخلوط به مدت 16 ساعت باقی میماند. ولی به علت کمبود وقت صرف نظر کردیم.

2-الف- جداسازی ذرات خاک با محلول :

در شرایط استاندارد بدین گونه است که  تقریباَ 50 تا 100 گرم از نمونه را برای انجام آزمایش وزن کرده و در کاسه 250 میلی لیتری ریخته می شود ، اگر خاک دارای مواد آلی است جهت از بین بردن آن مقدار 100 میلی لیترمحلول 6 درصد هیدروژن پراکسید به نمونه اضاف  و با استفاده از دستگاه همزن برقی نمونه را مخلوط کرده و اگر پس از مدتی هیچگونه گازی خارج نشد به محلول اسید کلرید ریک 2/0 نرمال اضافه می شود ، اسید کلریدریک ترکیبات کلسیم را که بصورت سیمان کربنات کلسیم ذرات خاک را بهم چسپانده حل نموده و بدین ترتیب دانه های خاک از هم جدا می شوند.

اما ما با توجه به کمبود زمان مراحل فوق را انجام نداده بلکه فقط پس از توزین نمونه خاک به میزان 40 گرم آنرا داخل استوانه مدرج که حاوی محلول جدا کننده بود ریختیم .

محلول را به ظرف مخلوط کن انتقال دادیم و مدت 3 تا 5 دقیقه مخلوط کردیم.

تمام محتویات ظرف را به استوانه  رسوب گذاری منتقل کردیم و مراقب بودیم تا این کار به طور کامل انجام میشد. بعد به آن آنقدر آب اضافه کردیم تا حجم دقیقا به cc 100 رسید. با استفاده از درپوش لاستیکی استوانه را واژگون کردیم  و به حالت اول برگرداندیم. این کار را یک دقیقه ادامه دادیم.

علاوه بر میزان خاک مورد نیاز برای این قسمت برای برآورد وزن مخصوص خاک نیز به 30 گرم خاک دیگر نیاز بود که آنرا نیز تهیه کردیم . در نتیجه جهت انجام این آزمایش به مقدار 70 گرم خاک ردشده از الک 200 مورد نیاز بود.

3 ـالف- خواندن چگالی سنج :

 نمونه آزمایش را داخل استوانه حاوی ماده جدا کننده ریختیم و سپس تا خط نشانه 1000 میلی لیتر، داخل آن را ازآب پر کردیم سپس در پوش را گذاشتیم و به مدت یک دقیقه خوب مخلوط را تکان دادیم بطوریکه تمام ذرات خاک در محلول به حالت معلق در آمد در این قسمت درجه حرارت نقش مهمی دارد بدین جهت معمولاَ‌در زمان انجام آزمایش سعی می شود که درجه حرارت محل استوانه رسوبگذار یک نواخت و در حدود 21 درجه سانتی گراد باشد . پس از اتمام تکان دادن استوانه آنرا روی میز گذاشته و کرنومتر را به کار انداختیم و همزمان چگالی سنج را به آرامی داخل استوانه قرار داده و درجه چگالی سنج را درست در بالای محلی که آب به ساقه چگالی سنج چسپیده و تشکیل حلقه داده خواندیم ، سپس به فواصل زمانی 5/0 ، 1 ، 2 ، 5 ، 15 ، 30 و 60 دقیقه پس از شروع رسوبگذاری اعداد روی چگالی سنج را یادداشت نمودیم ، در فواصل فوق برای کنترل، چگالی سنج را از محلول درآورده و در استوانه دیگری که تا خط نشانه 1000 میلی لیتر از آب پرشده و به عنوان استوانه شاهد می باشد گذاشته و چگالی سنج را قرائت نمودیم .البته فواصل زمانی قرائت استوانه رسوب گذار در شرایط مطلوب بایستی به ترتیب برای 120 ، 250 و 1440 دقیقه نیز قرائت گردد که ما بدلیل کمبود وقت فقط تا زمان 60 دقیقه انجام دادیم .با توجه به قرائت های چگالی سنج در استوانه رسوب گذار و استوانه شاهد برای هریک از زمانهای قرائت دو عدد A و B قرائت می شد که از تفاضل آنها عدد واقعی چگالی سنج حاصل می شود .

باید توجه داشت که دو نوع چگالی سنج داریم: H151 و H152

در نوع H151 طول موثر را می خوانیم ولی در نوع H152 مستقیماٌ درصد عبوری را نشان می دهد.

ب- تعیین وزن مخصوص خاک جهت بدست آوردن GS خاک

ابتدا پیکنومتر (ظرفی به حجم cc250) را وزن کردیم و عدد آنرا یادداشت نمودیم سپس آنرا تا رسیدن به خط نشانه ظرف از آب پرنموده و دوباره وزن کردیم و آنرا یادداشت نمودیم در این زمان مقداری از آب پیکنومتر را خالی و به میزان  gr30 خاک ریزدانه (از محل خاکهای ریزدانه نگه‌داری شده از آزمایش دانه بندی) درون آن ریختیم. و سپس حجم آب و خاک درون پیکنومتر را تا خط نشانه‌ی ظرف رساندیم و آنرا وزن نمودیم و عدد نشان داده شده توسط ترازو را یادداشت کردیم.

5- اندازه‌گیری‌ها

الف) آزمایش هیدرومتری

60دقیقه	30دقیقه	15دقیقه	5دقیقه	2دقیقه	1دقیقه	30ثانیه	زمان ثانیه t
13	15	17	24	34	43	49	(A) قرائت از روی چگالی سنج در ظرف حاوی محلول و خاک
3	-	-	-	-	-	4	(B) قرائت از روی چگالی سنج در ظرف حاوی محلول شاهد

در تمام زمانها  0C 23 = T

ب) تعیین وزن مخصوص خاک

gr8/75 gr3/324 gr30 gr4/342

: وزن پیکنومتر : وزن مجموع پیکنومتر و آب تا خط نشانه : وزن خاک ریخته شده در پیکنومتر : مجموع وزن پیکنومتر و خاک و آب تا خط نشانه

6- محاسبات و نتیجه‌گیری

60دقیقه	30دقیقه	15دقیقه	5دقیقه	2دقیقه	1دقیقه	30ثانیه	زمان ثانیه t
13	15	17	24	34	43	48	A
3	4	4	4	4	4	4	B
10	11	13	20	30	29	45	R = A-B
26/78	30/9	35/02	49/44	70/04	88/58	98/88
14/2	13/8	13/5	12/4	10/7	9/2	8/3	L
0/007	0/009	0/013	0/021	0/031	0/041	0/056	D

             

از جدول و با توجه به دمای 22=t و51/2 =GS داریم:

013566/0 = K

برای زمان 30 ثانیه داریم:

 

برای نمونه با  قطر 56 mm0/0 داریم:

 

برای زمان 1 دقیقه داریم:

 

برای نمونه با  قطر 1 mm04/0 داریم:

برای زمان 2 دقیقه داریم:

 

برای نمونه با  قطر 1 mm03/0 داریم:

برای زمان 5 دقیقه داریم:

 

برای نمونه با  قطر 1 mm02/0 داریم:

برای زمان 15 دقیقه داریم:

 

برای نمونه با  قطر  mm013/0 داریم:

برای زمان 30 دقیقه داریم:

 

برای نمونه با  قطر  mm009/0 داریم:

برای زمان 60 دقیقه داریم:

 

برای نمونه با  قطر  mm007/0 داریم:

منحنی دانه بندی زیر الک 200:

7- بحث در خطاها

1)         برای ذرات با قطر کمتر از mm 0.0002 از آزمایش گریز از مرکز استفاده میشود.

2)        مهمترین خطایی که مد نظر گرفته نشده این است که قضیه‌ی استوکس براساس قطر ذرات کروی بیان شده است در حالی که در آزمایش میزان ذرات کروی خاک  خیلی کم است و این فرض غلط است.

3)       هیدرومتر H152 برای 2.65 = Gs و دمای 20 کالیبره شده است و در صورت عدم استفاده از خاکی با این خصوصیات باید تصحیحات لازم صورت بگیرد.

4)       فرض بر این شده است که مصالح ریزدانه از مصالح با وزن مخصوص ثابت درست شده است که این فرض غلطی است.

5)       هنگامی که خاک را از ظرف فلزی به داخل استوانه می‌ریزیم مقداری خاک در این انتقال به دلیل چسبیدن به دیواره‌ی قیف سراستوانه و همچنین پخش غبار در اثر این جابجایی هدر می‌رود و ایجاد خطا در وزن خاک می‌کند.

6)       خطای اندازه‌گیری مانند توزین

7)       خط‌های مربوط به درجه‌بندی چگالی سنج و به طور کلی خطای دستگاه‌ها

8)       خطای ناشی از تغییرات درجه حرارت محیط

9)        خطای قرائت

8-نظرات شخصی

در این آزمایش از سرعت متوسط ذرات در محلول استفاده شده است. با توجه به اینکه ذرات با قطر بزرگتر زودتر ته نشین می شوند و با توجه به سرعت سقوط معیاری برای دانه بندی انتخاب می کنیم.همانطور که در آزمایش مشاهده شد این مسئله زمان زیادی میگیرد. لذا اگر بتوانیم روش دیگری پیشنهاد کنیم که طبق آن ذرات خاک را به ترتیب از کوچک به بزرگ یا بالعکس و با سرعت بیشتری منظم نماییم می توانیم از آن روش برای دانه بندی استفاده کنیم.برای مثال می توان از نیروی گریز از مرکز استفاده نمود. اگر بتوان استوانه محلول را حول یک محور عمودی با سرعت ثابت بچرخانیم به امر ته نشین شدن ذرات سرعت می بخشیم.(شکل الف) اما مشکلی که بوجود می آید نحوه ی قرار گیری چگالی سنج و قرائت آن است. برای حل این نقیصه هم میتوان انتهای چگالی سنج را به یک قلم وصل کرد و بالا آمدن چگالی سنج را به مرور زمان روی کاغذی مشخص نمود(شکل ب). با تکرار آزمایش میتوان کاغذ ثبت کننده را نیز کالیبره کرد و تا نحوه قرائت اعداد ثبت شده در دفعات بعد و تحلیل آن راحت تر باشد.

 

شکل(الف)

 

شکل (ب)

این روش تنها یک ایده است و نیاز به تحقیق و مطالعه ی بیشتر دارد.

در انتها می توان افزود در آزمایش هیدرومتری انجام گرفته در آزمایشگاه اگر جنس ظرف تعیین حجم دارای حداقل ضریب انبساط حجمی باشد دقت بالا می رود. همچنین توصیه می شود از دستگاه ها با دقت های  نزدیک به هم استفاده شود که این عمل علاوه بر کاهش هزینه های غیر ضروری با توجه به هم پوشانی دقت ها، نتیجه مطلوب را بدست می دهد.