آزمایشگاه مکانیک خاک
آزمایش دانه بندی به روش هیدرومتری
تهیه کننده:دکتر بهزاد زراعت
نام آزمایش: دانه بندی به روش هیدرومتری
هدف آزمایش: تعیین درصد وزنی ذرات جامد خاک بر اساس اندازه یا توزیع درصد وزنی بخش جامد خاک بر اساس اندازه
مقدمه
دانه بندی خاک های ریزدانه را می توان با استفاده از روش ته نشینی تعیین کرد. این روش مبتنی بر قانون استوکس است که مربوط به سرعت سقوط ذرات کروی شکل معلق در مایعات می باشد. ذرات بزرگ تر سرعت سقوط بیشتری دارند و ذرات کوچک تر با سرعت کمتری ته نشین می شوند.
در قسمت دانه های ریز خاک مثل رس، لای و ماسه خیلی ریز برای اندازه گیری قطر دانه ها از روش هیدرومتری استفاده می کنیم.
این آزمایش بر اساس استانداردهای ASHTO T88-70 و ASTM D422-63 انجام می شود.
هدف از انجام این آزمایش تعیین دانه بندی نمونه خاک موجود در آزمایشگاه می باشد. البته این آزمایش از دو قسمت تشکیل شده است:
در روش دانه بندی خاک به صورت مکانیکی که برای خاک های بزرگ تر از الک شماره 200 انجام می شود ولی این آزمایش شامل دانه بندی خاک عبوری از الک شماره 200 می باشد که به صورت هیدرومتری انجام می شود.
برای انجام این آزمایش نیاز به یک نمونه استاندارد داریم که نمونه این آزمایش باید پس از خشک شدن از الک های 10 ، 40 و 100 عبور داده شود.
اگر نمونه خاک ماسه ای باشد 100 گرم و اگر نمونه خاک رسی یا سیلتی باشد 50 گرم از نمونه با ترازویی به دقت 0.01 گرم توزین می شود.
وسایل مورد نیاز:
1. هیدرومتر
2. دماسنج
3. استوانه مدرج شیشه ای به حجم ml1000
4. آب مقطر
5. ترازو دیجیتالی با دقت 0.01 گرم
6. هگزا متا فسفات سدیم مخصوص جدا کردن محلول
7. خاک
8. کرنومتر
9. الک
10. دستگاه همزن برقی و دستی
شرح آزمایش:
ابتدا پس از تهیه نمونه استاندارد آن را در ظرف اشباع قرار می دهیم. چون نمونه خاک از نوع رسی می باشد 50 گرم از نمونه خاک را جدا کرده و ml125 محلول جداکننده هگزا متا فسفات سدیم به آن اضافه می کنیم. برای تهیه محلول ml125 هگزا متا فسفات سدیم باید محلول 4% جداساز ریزدانه را توسط این پودر تولید کنیم. برای این کار 40 گرم پودر هگزا متا فسفات سدیم را به CC1000 آب اضافه می کنیم و در داخل استوانه مدرج ریخته و به خوبی مخلوط می کنیم تا محلول 4% تولید شود. پس از مخلوط کردن محلول جداساز ریزدانه با نمونه خاک آن را به مدت 12 ساعت به حال خود باقی گذاشته تا جدایش کامل دانه حاصل شود.
* در صورتی که نمونه دارای مواد آلی باشد CC 100 هیدروژن پراکسید 6% به آن اضافه می کنیم.
* در صورتی که خاک دارای ترکیبات کلسیم دار باشد مقدار کمی محلول اسید کلروییدریک 0.2 نرمال به آن اضافه می کنیم.
برای خواندن صحیح و درست قرائت ها لازم است یک محلول شاهد بسازیم. برای ساختن آن CC 125 محلول هگزا متا فسفات سدیم را داخل استوانه مدرج ریخته و سپس توسط آب حجم آن را به CC 1000 می رسانیم با این تفاوت که درون آن خاک نمی ریزیم.
پس از 12 ساعت نمونه خاک را به وسیله همزن برقی طبق دستور زیر مخلوط می کنیم:
* اگر PI خاک نزدیک به 5 باشد 5 دقیقه و اگر 20 ≤ PI ≤ 6 باشد 10 دقیقه و اگر PI > 20 باشد 15 دقیقه اختلاط را انجام می دهیم.
پس از گذشت 5 دقیقه همزن را برداشته و محلول داخل آن را در استوانه مدرج شیشه ای می ریزیم و به وسیله آب مقطر محلول را به حجم CC 1000 می رسانیم.
سپس با همزن دستی چند بار محلول را به هم میزنیم و پس از آن بلافاصله کرنومتر را روشن می کنیم. سپس استوانه را روی میز قرار داده و با استفاده از هیدرومتر (چگالی سنج) و دماسنج در بازه های زمانی (5/0 ؛ 1 ؛ 2 ؛ 3 ؛ 4 ؛ 5 ؛ 15 ؛ 30 ؛ 60 ؛ 240 ؛ 480) دقیقه هیدرومتر و دماسنج را قرائت کرده و یادداشت می کنیم. این قرائت ها در پیوست گزارش ارائه شده است.
قرائت های هیدرومتر را تا ساعت ها بر اساس بازه های زمانی مشخص که در جدول صفحات بعد ذکر شده است ادامه می دهیم و در پایان با انجام یک سری محاسبات و اصلاحات، نموداری را بر اساس درصد ریزدانه به اندازه دانه های خاک رسم می کنیم.
منابع ایجاد خطا در آزمایش:
* خطا وسایل اندازه گیری در آزمایشگاه
* خطای چشمی در دیدن اعداد نمایش داده شده توسط ترازو و سایر وسایل اندازه گیری
* خطا در انجام محاسبات مربوط به آزمایش
* وجود ناخالصی از جمله املاح و … در محلول
روابط:
D قطر ذرات خاک (mm)
K ضریب تصحیح
L طول ساقه فرو رفته در محلول (cm)
T زمان (min)
V سرعت سقوط ذرات کروی
D قطر ذرات خاک (mm)
RC1 تصحیح قوس یا تصحیح هلال
Ra قرائت واقعی
CM اختلاف فاصله قسمت پایین و بالای قوس
RC2 تصحیح دما نسبت به غلظت محلول جدا کننده
Ra قرائت واقعی
CT تصحیح دمای قرائت یا تصحیح دمایی
Cd تصحیح صفر یا تصحیح وزن مخصوص محلول
a ضریب اصلاح برای میزان انحراف از وزن مخصوص مبنا به وزن مخصوص خاک
Gs وزن مخصوص خاک
% Finer درصد عبوری ریزدانه
RC2 تصحیح دما نسبت به غلظت محلول جدا کننده
a ضریب اصلاح
Ms جرم خاک خشک
نکته:
* در این قسمت برای راحتی کار دمای نمونه و دمای شاهد را ثابت و برابر ℃ 27 در نظر می گیریم.
* همچنین وزن مخصوص خاک را هم 2.65 در نظر می گیریم که طبق جدول 3 از کتاب آزمایشگاه مکانیک خاک ضریب تصحیح a برای این وزن مخصوص برابر 1 می باشد.
* در ضمن مقدار K نیز با توجه به ثابت بودن دما و وزن مخصوص خاک طبق جدول 5 از همین کتاب برابر با 0.0126 لحاظ می شود.
* ضریب تصحیح دمایی نیز با توجه به ثابت بودن دما طبق جدول 4 از همین کتاب برابر با 2 می باشد.
* عمق موثر آب (L) را نیز با توجه به قرائت اولیه هیدرومتر طبق جدول 6 از همین کتاب، اعداد را در نظر می گیریم.
* تصحیح قوس (تصحیح هلال) را در این قسمت برابر CM = 1 در نظر می گیریم.
محاسبات:
به همین ترتیب تمامی مراحل را ادامه میدهیم تا به نقاطی مزدوج حاصل از درصد عبوری و قطر ذرات خاک می رسیم و نمودار دانه بندی را ترسیم می کنیم.
خلاصه محاسبات به صورت جدولی در صفحه بعد ارائه شده است:
T(min)
℃
R_a
R_C2
% Finer
قرائت تصحیح شده برای کشش سطحی (RC1)
L
(cm)
L/T
K
D
(mm)
5/0
27
48
49.5
99%
49
8.3
16.6
0126/0
0.0513
1
27
46
47.5
95%
47
8.6
8.6
0126/0
0369/0
2
27
45
46.5
93%
46
8.8
4.4
0126/0
0264/0
3
27
43
44.5
89%
44
9.1
3.033
0126/0
0219/0
4
27
41
42.5
85%
42
9.4
2.35
0126/0
0193/0
5
27
39
40.5
81%
40
9.7
1.94
0126/0
0175/0
15
27
37
38.5
77%
38
10.1
0.673
0126/0
0103/0
30
27
35
36.5
73%
36
10.4
0.346
0126/0
00741/0
60
27
33
34.5
69%
34
10.7
0.178
0126/0
00531/0
240
27
30
31.5
63%
31
11.2
0.0466
0126/0
0.00271
480
27
29
30.5
61%
30
11.4
0.02375
0126/0
0.00194
یکی از پارامترهای این آزمایش تعیین اندازه ذرات خاک و دیگری درصد عبوری می باشد که روی نمودار رسم می شود و از رسم نمودار به منحنی دانه بندی می رسیم.
با انتقال این اعداد بر روی جدول ترسیمی که محور X اندازه ذرات و محور Y درصد عبوری ذرات را نشان می دهد به یک سری نقاط دست می یابیم که با وصل کردن این نقاط به یک دیگر، منحنی دانه بندی به دست می آید که این منحنی در صفحه بعد ارائه شده است.