آزمایش دانه بندی خاک
آزمایش دانه بندی خاک از جمله آزمایش های بسیار مهم مکانیک خاک است که با توجه به اندازه ذرات خاک به روش های مختلفی انجام می گیرد.
تعریف آزمایش دانه بندی خاک
آزمایش دانه بندی خاک (Sieve Analysis) را با هدف تعیین توزیع دانه بندی خاک در مصالح ریزدانه و درشت دانه (بر اساس استاندارد ASTMD422-6)، برای مقایسه و مطابقت دادن با منحنی استاندارد انجام می دهند.
در استانداردهای این آزمایش محدوده خاصی برای شن و ماسه مشخص کرده اند که برای ساخت و تولید بتن، دانه بندی شن و ماسه باید در این محدوده قرار بگیرد.
خاک ها را بر اساس عملکرد مهندسی به دو دسته خاک های دانه ای و خاک های ریزدانه یا چسبنده تقسیم بندی می کنند:
1. خاک های دانه ای
اگر در ساختمان خاک، ذرات به صورت مجزا در کنار یکدیگر قرار گیرند به آن خاک دانه ای می گویند. در این نوع خاک ها رفتار خاک وابسته به اندازه و شکل ذرات است و کانی های تشکیل دهنده تاثیر قابل توجهی در رفتار خاک ندارند.
2. خاک های چسبنده
در خاک های چسبنده یا ریزدانه، هیچ دانه ای به صورت مجزا قابل تشخیص نیست و رفتار خاک نشأت گرفته از کانی های تشکیل دهنده آن است و کل خاک به صورت خمیر عمل می کند.
انواع آزمایش دانه بندی خاک
آزمایش دانه بندی خاک عمدتا به سه صورت انجام می گیرد:
1. آزمایش دانه بندی خاک به وسیله الک
برای خاک هایی که بیشتر از 90 درصد دانه ها از الک شماره 200 بزرگ تر باشند، از آزمایش دانه بندی با الک استفاده می کنیم. دانه بندی با الک به دو صورت تر و خشک انجام می گیرد. مجموعه ای از الک ها را روی هم قرار می دهند و با دستگاه لرزاننده (Shaker) درصد وزنی دانه بندی های عبوری از الک ها را پیدا می کنند.
2. آزمایش دانه بندی خاک به وسیله هیدرومتری
برای دانه بندی خاک هایی با درصد عبوری بیشتر از 90 درصد از الک شماره 200 از روش هیدرومتری استفاده می کنیم. آزمایش هیدرومتری با فرض کروی بودن دانه ها و بر اساس قانون استوکس (Stokes’s law) انجام می شود.
3. ترکیبی از دو آزمایش بالا
برای خاک هایی که به صورت ترکیبی از درشت دانه و ریزدانه هستند، برای بخش درشت تر که از الک 200 رد نمی شوند از دانه بندی با الک و برای بخش ریزتر (عبوری از الک 200) از آزمایش هیدرومتری استفاده می شود. آزمایش دانه بندی خاک برای خاک های درشت دانه با الک به دو روش خشک و تر و برای خاک های ریزدانه به روش هیدرومتری انجام می شود.
1.روش خشک
برای انجام آزمایش دانه بندی خاک به روش خشک مقداری از خاک مورد نظر را در دمای 5 ± 110 درجه سانتی گراد در کوره خشک می کنیم. پس از آن الک ها را به ترتیب شماره از بزرگ به کوچک، از بالا به پایین روی هم قرار می دهیم. نمونه خاک خشک شده را بر روی بزرگ ترین الک ریخته و با دست یا دستگاه لرزاننده مکانیکی به مدت مورد نیاز تحت لغزش قرار می دهیم. پس از این که الک ها به مقدار کافی لرزانده شدند، وزن مصالح باقی مانده روی هر الک را با ترازویی با دقت 0.1 درصد اندازه گیری می کنیم. در پایان اندازه گیری ها باید دقت کنید که مجموع کل مصالح بر روی تمامی الک ها باید با میزان خاک ریخته شده برابر باشد و درصورتی که اختلاف آن ها بیش از 0.3 درصد باشد، نتایج قابل استناد نیستند. همچنین در پایان کار آزمایش دانه بندی خاک به روش خشک، میزان درصد باقی مانده روی هر الک را روی منحنی موسوم به منحنی دانه بندی خاک ترسیم می کنیم. روش دانه بندی خشک اگرچه راحت تر و سریع تر انجام می گیرد، اما گاهی به دلیل چسبندگی بین ذرات با خطا همراه است.
2-روش تر
در آزمایش دانه بندی خاک به روش تر همانند روش خشک، خاک را بر روی بزرگ ترین الک می ریزیم. سپس با فشار آب، خاک را شستشو می دهیم. این عمل تا جایی ادامه پیدا می کند که آب خروجی از آخرین الک به صورت شفاف خارج شود. اگرچه این روش نسبت به روش قبلی زمان بیشتری می برد و سخت تر است؛ اما می توان اطمینان پیدا کرد که ذرات با اندازه واقعی خود در آزمایش حضور دارند؛ چرا که امکان چسبندگی ذرات به هم وجود ندارد و عمدتا نتایج دقیق تری را به دست می دهد.
آزمایش هیدرومتری
برای تعیین توزیع دانه بندی مصالح عبورکننده از الک نمره 200 (ریزدانه) و بزرگ تر از 0.2 میکرون، از آزمایش دانه بندی خاک به روش هیدرومتری یا رسوب گذاری (بر اساس قانون استوکس) استفاده می شود. در این نوع آزمایش مقداری از نمونه خاک را با مقدار کافی هگزا متا فسفات سدیم (SHMP) مخلوط می کنیم. لازم است که نمونه به مدت 16 ساعت در این حالت قرار گیرد تا کاملا خیس بخورد و دانه های به هم چسبیده از یکدیگر جدا شوند. پس از آن نمونه را داخل مخلوط کن می ریزیم و به آن آب مقطر اضافه می کنیم و درپوش لاستیکی را روی دهانه استوانه قرار می دهیم. با سر و ته کردن استوانه تا جایی که تمام ذرات معلق شوند و هیچ دانه ای ته نشین نشود کار را ادامه می دهیم. در گام بعدی استوانه را بدون حرکت در محلی صاف، در حالی که هیدرومتر داخل آن است، قرار می دهیم. در آخرین مرحله مقادیر هیدرومتر را در بازه های زمانی 2، 5، 15، 30، 60، 250 و 1440 دقیقه می خوانیم. هم زمان با هر بار خواندن باید دمای مخلوط را نیز اندازه گیری کنیم. آزمایش دانه بندی خاک به روش هیدرومتری بر اساس قانون استوکس است. بر اساس این قانون ذرات با چگالی و قطر بزرگ تر با سرعت بیشتری ته نشین می شوند. در این آزمایش از وسیله ای به نام هیدرومتر استفاده می شود که چگالی ثابت و معینی دارد. همان طور که گفته شد آزمایش هیدورمتری مخصوص خاک های ریزدانه یا رسی است و نمی توان برای خاک های درشت دانه از آن استفاده کرد؛ زیرا ذرات بزرگ در هنگام حرکت ذرات اغتشاش ایجاد کرده و عملا قانون استوکس را نقض می کنند.
درصد رطوبت خاک با روش آزمایش مطابق استاندارد ASTM
درصد رطوبت خاک ها و سنگ ها به صورت وزني استاندارد ASTM D 2216 را در این مقاله مورد بررسی قرار می دهیم. آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک از سری آزمایش های مکانیک خاک می باشد.
يادآوري ـ در این استاندارد به خاک و سنگ ، مواد اطلاق مي‌ شود.
دامنه كاربرد این روش آزمایش
اين روش براي موادي (خاک و سنگ) كه حاوي مقادير قابل توجهي از مينرال هاي هالوزيت و مونتموريلونيت و گچ باشند، كاربرد ندارد. همچنين براي موادي كه همراه با مواد ارگانيک (آلي) باشند يا موادي كه رطوبت محبوس شده در تخلخل آن ها حاوي نمک هاي حل شونده باشد (مانند نمك در سنگ هايي كه منشاء آنها رسوبات دريايي است) كاربرد ندارد. براي اين گونه مواد بايد يک روش تغيير يافته به كار برده شود كه نتايج آن با اهداف اين آزمون سازگار باشد.
اصطلاحات و تعاريف آزمایش درصد رطوبت حاک
در اين استاندارد اصطلاحات يا تعاريف زير به كار مي‌رود:
رطوبت
رطوبت يک ماده به صورت نسبت وزني آب فيزيكي موجود در مقدار معيني از يک ماده به وزن ماده خشک شده مي‌باشد.
رطوبت در زمين شناسي
به آب فيزيكي موجود در ماده كه شامل آب جذب شده در سطح و آب پر كننده تخلخل ها اطلاق مي‌شود. بنابراين آب شيميايي ساختار بلورين ماده يا آب هيدراته ، رطوبت ماده محسوب نخواهد شد.
وسايل مورد نیاز آزمایش تعیین رطوبت خاک
آون یا گرمخانه
آون مورد استفاده در این آزمایش لازم است، قابليت كنترل دما و حرارت دهي يكنواخت در كل محفظه در دماي 5±110 درجه سلسيوس را داشته باشد.
ترازو
ترازو ديجيتال با دقت 0.01± گرم براي آزمونه‌ هاي با وزن كمتر از 200 گرم، 0.1± گرم براي آزمونه‌ هاي تا وزن 1000 گرم و نيز 1± گرم براي آزمونه‌هاي با وزن بيشتر از 1000 گرم باید باشد.
ظرف نگه داري آزمونه
ظرفي مناسب از جنس مقاوم به خوردگي و پايدار در مقابل تغييرات وزني پس از عمليات حرارت دهي، سرد كردن و شستشوي مكرر باشد.
براي آزمونه‌ هاي كمتر از 200 گرم بايد از ظروف درب‌ دار استفاده كرد. در حالي كه براي آزمونه‌ هايي با وزن بيشتر از 200 گرم مي‌توان از ظروف بدون درب نيز استفاده نمود. (هدف از بستن درب ظروف، جلوگيري از تبخير رطوبت آزمونه پيش از توزين اوليه و همچنين پيشگيري از جذب رطوبت هوا توسط آزمونه خشک شده قبل از توزين نهايي مي‌باشد).
دسيكاتور
دسيكاتور با اندازه مناسب با قطر حدود 250-200 ميلي متر حاوي ژل خشک كن باشد.
يادآوري ـ اين وسيله فقط هنگامي توصيه مي‌شود كه از ظروف بدون درب استفاده مي‌شود.
نمونه برداري
نوع نمونه‌ برداري و مقدار لازم اساساً به هدف آزمون، جنس ماده و نوع آزمونه بستگي دارد. در هر صورت آزمونه برداشته شده بايد شاخص كل نمونه باشد.

كه در اين رابطه :
• W = درصد رطوبت
• MCWS = وزن ظرف و ماده مرطوب بر حسب گرم
• MCS = وزن ظرف و ماده خشك شده بر حسب گرم
• MC = وزن ظرف بر حسب گرم
• MW = وزن آب بر حسب گرم
• MS = وزن ماده خشک شده بر حسب گرم است