آزمایش هیدرومتری

هدف آزمایش هیدرومتری

آزمایش دانه بندی با استفاده از هیدرومتری از آزمایش های خاک می باشد که بر اساس  ASTM D 422-63 انجام میگیرد. این آزمایش برای دانه های ریز خاک (کوچکتر از الک 200) و برای تعیین رس و لای و دانه بندی آنها به کار میرود. در واقع اگر بخواهیم قطر و درصد وزینی دانه ها زیر الک 200 را بدانیم باید از این آزمایش استفاده کنیم.

بررسی آزمایش هیدرومتری

این آزمایش براساس وزن مخصوص، گرم درلیتر دانه های خاک معلق در آب می باشد. و با گذشت زمان که دانه های آب گل آلود رسوب میکنند، چگالی کاسته شده، لذا میزان کاهش وزن مخصوص مبنای قرائت هیدرومتر می باشد.

طریقه محاسبه براساس قانون استوکس می باشد که در آن ذرات کروی در یک مایع با لزجت مشخص، با سرعت معینی به حالت آزاد سقوط میکنند و گرچه همه دانه های ریز خاک نمیتوانند کروی باشند ولی نتایج این آزمایش مورد تایید و قابل استفاده می باشد.

نکته: این روش برای دانه های ریزتر از mm 0.0005 مجاز نمی باشد.

تجهیزات و مصالح آزمایش هیدرومتری

• ترازو با دقت و حساسیت 0.01 ± گرم
• دستگاه هم زن برقی این دستگاه توسط نیروی الکتریکی کار میکند و به طور متوسط به تعداد 10000 دور در دقیقه خارج از محلول میچرخد.
• هیدرومتر 151H – 152H در این آزمایش میتوان از هر دو هیدرومتر استفاده کرد.
• استوانه رسوب گذاری مدرج با ظرفیت 85 میلیمتر یا حداقل 63.5 میلیمتر.
• قطر داخلی باید به اندازه ای باشد که خط مشخصه حجم 1000 میلی لیتر تقریبا به فاصله 2±36 سانتیمتر از کف قرار داشته باشد.
• دماسنج با دقت 0.5± درجه سانتی گراد و درجه بندی شده از2+ تا 40+ باشد.
• الکهای استاندارد شماره 2،10، 40،200
• ظرف نگهداری محلول با دمای ثابت20 درجه
• بشر یا ظرف 250 میل لیتری
• کرنومتر یا زمان سنج جهت ثبت زمان
• ماده جداساز یا پراکنده ساز
• ماده پراکنده ساز جهت غلبه بر الکتریکی بین ذرات و جدا کردن دانه ها از لحاظ چسبندگی در مدت زمان یک تا 16 ساعت مورد استفاده قرار میگیرد. و معمولا از هگزا متا فسفات سدیم استفاده میگردد. اما میتوان از موراد زیر هم استفاده کرد.
• 

هیدرومتر 151H 

هیدرومتر یا چگالی سنج 151H بر حسب وزن مخصوص ذرات معلق در آب می باشد و درجه بندی آن از0.995 تا 1.038 گرم بر سانتی متر مکعب می باشد. این درجه بندی بر پایه آب مقطر20 درجه سانتی گراد، و وزن مخصوص 1 گرم بر سانتی متر مکعب می باشد. و قرائت آن تا چهار رقم اعشار بوده و چون بر حسب سانتی متر مکعب است جهت قرائت حقیقی باید مقدار قرائت شده را از 1 کسر کرد و سپس در عدد 1000 ضرب گردد تا عدد حاصل به عنوان قرائت حقیقی چگالی سنج تلقی شود. برای مثال قرائت 1.0224 به صورت 22.4 قرائت میگردد.

هیدرومتر 152H

هیدرومتر یا چگالی سنچ 152H بر پایه مواد معلق بر حسب گرم در لیتر یا گرم در 1000 سانتی متر مکعب خاک می باشد و درجه بندی چگالی فوق از 5- تا 60 گرم خاک در لیتر می باشد این چگالی سنج بر پایه آب مقطر و دارای دمای 20 درجه سانتیگراد (به شرطی قابل استفاده است که بیش از 60 گرم خاک در محلول وجود نداشته و وزن مخصوص 2.65باشد)

هیدرومتر معمولا از جنس شیشه ساخته شده و شامل دو قسمت ساقه و حباب است، مطابق مشخصات ASTM-E100 ابعاد هر دو هیدرومتر یکسان بوده و تنها تفاوت در نحوه درجه بندی آنها است. مشخصات دو نوع هیدرومتر استاندارد در جدول زیر آمده است توجه شود قطر ساقه هیدرومتر ممکن است برای تطبیق دادن با طول درجه بندی مورد نظر تغییر داده شود. به عبارتی قطر ساقه بسته به نوع هیدرومتر مختلف بوده و متناسب با مقیاس میباشد. در هر صورت ساقه هیدرومتر در طول قطری یکسان دارد.

تهیه نمونه آزمایش هیدرومتری

آزمایش هیدرومتری معمولا همزمان با آزمایش الک انجام میگیرد، لذا باید جهت ارائه گزارشی که بتواند بر همه دانه های خاک حاکم باشد. لذا مقدار نمونه انتخاب شده جهت آزمایش هیدرومتری، نسبت به کل نمونه بررسی میگردد.

برای این کار میتوان از جدول زیر که مبتنی بر بزرگترین دانه با الک مورد استفاده و همچنین الک میلمتر 2 است استفاده کرد. البته این جدول به صورت پیشنهاد می باشد.

اگر اعداد جدول بالا به صورت تقریبی صادق باشد، در این صورت وزن خاک لازم جهت آزمایش هیدرومتری برای خاکهای ماسه ای حدود 100 گرم و برای خاکهای لای و رس حدود 50 گرم انتخاب میگردد.

روش آزمایش هیدرومتری

از نمونه تهیه شده در صورت لای و رس بودن تقریبا به وزن 50گرم و در صورت ماسه ی بودن 100 گرم در بشر250میلی لیتری ریخته بریزید اگر خاک مواد آلی ندارد مستقیما به آن 125میلی لیتر محلول هگزا متافسفات اضافه شود و اگر خاک رس است تا 12 ساعت و در صورت ماسه بودن 3 ساعت و در نهایت میتوان مدت زمان 16 ساعت را جهت خیس شدن هر نوع نمونه ای مورد استفاده قرار داد.

اگر خاک دارای مواد آلی باشد ابتدا در حدود 100 الی 200 میلی لیتر محلول 6 درصد هیدروژن پرااکسید، به نمونه اضافه گردد. و زمانی که هیچ گازی از آن خارج نگردید به محلول اسید کلریدریک 0.2 درصد اضافه گردد و اسید کلریدریک، ترکیبات کلسیم که به صورت سیمان کربنات کلسیم، ذرات خاک را بهم چسبانده حل نموده و دانه های خاک را از هم جدا میکند . در این لحظه محلول جدا کننده هگزا متا فسفات سدیم 125 میلی لیتر اضافه گردد و محلول تا خیس شدن کامل به مدت زمان 12 ساعت رها گردد.

بعد از سپری شدن مدت زمان خیس شدن باید محلول با استفاده از مخلوط کن مخلوط گردد. این مخلوط کردن معمولا از 1 الی  15دقیقه با مخلوط کن برقی، انجام میگردد. از جدول زیر که بیشتر از روی تجربه تهیه شده است میتوان مدت زمان مخلوط شدن را در صورت داشتن دامنه خمکیری تعیین کرد.

نکات آزمایش هیدرومتری

برای خاکهای با درصد زیاد میکا و سلیکا فقط یک دقیقه کافی است

بعد از این کار محلول را به استوانه مدرج ریخته و سپس با آب مقطر حجم را به 1000 میلی لیتر برسانید و سپس با استفاده از یک حمام آبگرم با دمای ثابت دمای استوانه مدرج به یک دمای ثابت رسانده شود که اگر این دما 20 درجه باشد دیگر نیازی با اصلاح یا اعمال ضریب اصلاح دما نخواهد بود .

بعد از تثبیت دما با یک سرپوش پلاستیکی سر استوانه مدرج را پوشانده و استوانه را به مدت یک دقیقه و حداقل پنجاه بار سر و ته کنید و بچرخانید و سپس در موقعیت کاملا ثابت قرار داده شده و کرونومتر را راه بیندازید و بلافاصله با استفاده از چگالی سنج قرائت اول را انجام دهید و سپس قرائت های بعدی را در زمانهای 0.5 و 1 و 2 و 3 و 4 و 5 و 15 و 30 و 60 و 250 و 1440 دقیقه قرائت انجام دهید.

البته نحوه قرائت اعداد بسته به نوع هیدرومتر جداگانه یاداشت شود و توجه شود در هر مرحله قرائت، بیست تا سی ثانیه قبل از قرائت، هیدرومتر به آرامی در داخل استوانه مدرج قرار داده و به حال سکون درآید. در هر قرائت دما محلول و زمان نیز یادداشت میگردد.

تصحیح در قرائت هیدرومتری

قرائت در هیدرومتری در نهایت به دو صورت تصحیح خواهد گردید.

الف: در اثر چسبندگی آب به ساقه هیدرومتر، سطح آب در محل تماس با ساقه به صورت یک قوس است که به آن هلال یا منیسک می گویند. چگالی سنج برای قرائت پایین منیسک تنظیم شده ولی از آنجایی که مخلوط مایع کدر است قرائت پایین منیسک مشکل است. لذا چگالی سنج در بالاترین قسمت چسبندگی آب به ساقه قرائت میشود برای تصحیح ترکنندگی باید محلول از آب خالص و ماده جدا کننده با همان غلظتی که در آزمایش هیدرومتری به کار میرود تهیه و در استوانه مقایسه ریخته شود و چگالی سنج درون استوانه قرار گیرد.

چون محلول زلال است قرائت بالا و پایین منیسک قابل انجام است البته باید دقت گردد دما نیز با دمای محلول آزمایش شده یکسان باشد اگرعدد قرائت شده از هیدرومتر یا چگالی سنج را Ra و اختلاف قرائت بالا و پایین میسک را Cm بنامیم تصحیح تر شدگی یا تصحیح اول در هیدرومتری با نام RCI به صورت زیر بیان میگردد.

جهت تصحیح قرائت منیسک به صورت زیر عمل کنید

ابتدا هیدرومتر را در استوانه رسوبگذاری یک لیتری حدود 800  میلی لیتر آب مقطع هم دما با نمونه قرار دهید خط دید چشم را کمی پایین تر از سطح آب قرار داده و سپس به تدریج بالا بیاورید تا اینکه بیضی مشاهده شده به یک خط مستقیم تبدیل شود، محل برخورد این خط مستقیم با مقیاس ساقه هیدرومتر را تعیین کنید.

البته برای افزایش دقت ساقه هیدرومتر تا حد امکان باید تمیز باشد در این مرحله این بار خط دید چشم را کمی بالاتر از سطح آب قرار داده و جائیکه حد بالای هلال سطح آب با مقیاس روی ساقه هیدرومتر برخورد میکند را تعیین کنید و اختلاف این دو قرائت را به عنوان تصحیح منیسک Cm یادداشت کنید.

ب: تصحیح دوم از نظر درجه حرارت و غلظت ماده جدا کننده می باشد و به صورت زیر بیان میگردد.

در اینجا نیز Ra به عنوان قرائت هیدرومتری

تعریف Ct : با استفاده از جدول زیر و بر حسب دما به غیر 20 درجه سانتیگراد

ویسکوزیته و وزن مخصوص آب به درجه حرارت آن بستگی دارد. با افزایش درجه حرارت آب، این مقادیر کاهش می یابند. با ازدیاد درجه حرارت آب، هیدرومتر عدد کمتری را نشان میدهد به عبارتی میتوان گفت که درجه حرارت آب در نتایج آزمایش هیدرومتری موثر است.

ضریب تصحیح حرارت

اگر هیدرومتری دقیقا در دمای 20 درجه سانتی گراد کالیبره شده باشد، در صورتی که این هیدرومتر در آب خالص  20درجه قرار داده شود قرائت پایین منیسک در هیدرومتر H151 بایستی برابر با 1.000 و برای هیدرومتر H152 برابر صفر باشد در این صورت مقدار ضریب تصحیح حرارت صفر خواهد بود ولی در دمای غیر 20 درجه باید ضریب تصحیح غیر صفر را به کار برد.

مواد جدا کننده جهت جدا کردن دانه ها از هم از نظر چسبندگی و یا خنثی کردن بارهای الکتریکی به کار میرود لذا در شروع کار به مخلوط آب و خاک افزوده میشود واضح است در اثر وجود این ماده، هیدرومتر بالاتر از محل واقعی خود قرار میگیرد و در نتیجه قرائت بیش از مقدار واقعی خواهد بود بنابراین به اندازه تصحیح غلظت ماده جدا کننده Cd باید از قرائت هیدرومتر کم گردد.

روابط تعیین درصد خاک معلق با فرض استفاده از آب مقطر و یا آب عاری از مواد معدنی ارائه شده اند به علت استفاده از ماده جدا کننده، چگالی مخلوط حاصل بزرگتر از آب مقطر شده و لازم است تصحیح مربوط به آن اعمال گردد.

تصحیح غلظت ماده جدا کننده، با استفاده از یک استوانه مدرج ، که حاوی آب و همان مقدار ماده جداکننده است که درمخلوط آب و خاک ریخته میشود به دست می آید در تعیین این ضریب قرائت پایین منیسک که همان قرائت واقعی است ملاک عمل خواهد بود بهتر است Cd در دمایی به دست آید که ضریب تصحیح حرارت در آن دما صفر باشد ( 20درجه سانتیگراد)

در این صورت اختلاف قرائت، از عدد یک در هیدرومتر H151 و عدد صفر در هیدرومتر H152، ضریب تصحیح غلظت ماده جداکننده را به دست میدهد و در حالت کلی میتوان از اختلاف قرائت پایین منیسک در محلول آب و ماده جداکننده و محلول آب مقطر خالص در یک دما Cd را بدست آورد.

تعریف Cd : ضریب تصحیح ماده جداکننده با استفاده از وزن مواد جداکننده و دما تعیین میگردد و این ضریب معمولا به همراه کاتولگ مواد جداکننده در آزمایشگاه موجود می باشد و میتوان از استاندارد AASHTO T88-70 نیز استفاده کرد.

در اینجا بعد از تصحیح قرائت های هیدرومتری نوبت به تعیین قطر دانه ها با استفاده از Rc1  و تعیین درصد نسبت به وزن خود نمونه میرسد و درصد عبوری با استفاده از RC2 میرسد.

نکته: لازم است اگر این آزمایش همزمان با آزمایش الک صورت گرفت درصدهای به دست آمده به صورت درصدی از زیر الک شماره 200 حاصل از آزمایش الک بیان گردد.

محاسبات آزمایش هیدرومتری

بعد از تصحیح Ra به ترشدگی و حاصل شدن Rc1 طول فرورفتن Lcm هیدرومتر یا چگالی سنج در محلول با استفاده از جدول زیر در زمان معین تعیین گشته و سپس D (قطر دانه ها) براساس میلیمتر به دست می آید.

در فرمول زیر k نیز ضریبی هست که از جدول زیر براساس چگالی ذرات و درجه حرارت تعیین میگردد.

بعد از تصحیح Ra به حرارت و چگالی و حاصل شدن Rc2 با استفاده از روابط زیر که برای هر هیدرومتر 152H – 151H به صورت جداگانه درصد دانه ها نسبت به وزن اول جهت ترسیم در نمودار نیمه لگاریتمی محاسبه میگردد.

همانطور که قبلا بیان شد مبنای طراحی در چگالی سنج Gs=2.65  میباشد و در صورت تغییر چگالی ذرات باید از فرمول زیر ضریب a تعیین گردد: 

گزارش آزمایش هیدرومتری

جدول اطلاعات به صورت زیر کامل میگردد در زیر برای هر هیدرومتر نمونه ای جدول پر شده آورده شده است

جدول راساس هیدرومتر 151H و برای مقدار زیر الک شماره 200  به مقدار 20 درصد

نکته: از آزمایش هیدرومتری در کارهای مهندسی زیاد استفاده نمیگردد و بیشتر از آن برای واگرایی خاکهای رسی به وسیله هیدرومتری از آن بهره برده میشود و در خاکهای ریزدانه بیشتر خواص خمیری خاک میتوان تاثیر گذار باشد.

نکته: در آزمایش هیدرومتری زمان ته نشینی رس بیشتر از لای و آن هم بیشتر از دانه های سلیس دار خواهد بود.