آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک

درصد رطوبت خاک یکی از مهم‌ترین خواص فیزیکی خاک است که در آزمایشگاه مکانیک خاک کد آزمون مورد بررسی قرار می‌گیرد. این آزمایش علاوه بر اینکه به تنهایی اهمیت دارد، به عنوان یک آزمایش اولیه برای بسیاری از آزمایش‌های ژئوتکنیکی دیگر نیز کاربرد. در این مقاله جامع، به بررسی دقیق این آزمایش خواهیم پرداخت.

به طور خلاصه این مقاله شامل قسمتهای زیر می‌باشد:

• هدف از آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک و محدودیت‌های آن
• اهمیت و کاربرد آزمایش
• وسایل و تجهیزات مورد نیاز
• حداقل مقدار نمونه لازم برای انجام آزمایش بر اساس استاندارد ASTM D2216 و ISIRI 7883
• روند انجام آزمایش
• روابط محاسباتی و خروجی‌های آزمایش
• درصد رطوبت طبیعی در حالت اشباع برای خاک‌های مختلف
• جدول خام پیشنهادی جهت گزارش‌نویسی

هدف از آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک و محدودیت‌های آن

هدف اصلی از آزمایش درصد رطوبت خاک، تعیین نسبت جرم آب موجود در منافذ خاک (M_w) به جرم خاک خشک (M_s) است که به صورت درصد بیان می‌شود. به عبارت دیگر، این آزمایش مشخص می‌کند که چه میزان از حفره‌های خاک توسط آب پر شده است. استاندارد جهانی این آزمایش  ASTM D2216و استاندارد ایرانی آن ISIRI 7883 می‌باشد.

محدودیت‌های این آزمایش: این روش آزمایش برای تعیین درصد رطوبت انواع خاک و مصالح سنگی مناسب نیست و در موارد زیر کاربرد محدودتری دارد:

•  مصالح حاوی مقادیر قابل توجهی کانی‌های هالوزیت، مونت‌ موریلونیت و گچ: این کانی‌ها ممکن است در دمای استاندارد این آزمایش (۱۱۰ درجه سانتی‌گراد) تخریب یا تجزیه شوند.

•  مصالح دارای مواد آلی زیاد: مواد ارگانیک و آلی نیز ممکن است در اثر حرارت‌دهی بالا دچار تجزیه و سوختگی شوند. اگر خاک بسوزد، درصد رطوبت گزارش شده بالاتر از حد واقعی خواهد بود.

•  مصالح حاوی آب با مقادیر قابل توجهی مواد جامد محلول (مانند نمک در رسوبات دریایی): جامدات حل‌شده در آب می‌توانند بر وزن خشک نهایی نمونه تأثیر بگذارند و نیاز به روش‌های اصلاحی خاصی است.

توجه: برای خاک‌های گچ‌دار، کانی‌های نگه‌دارنده آب، یا خاک‌های شدیداً آلی، توصیه می‌شود دمای گرمخانه بر روی 60±5 درجه سانتی‌گراد تنظیم شود تا از آسیب به بافت خاک یا تجزیه مواد جلوگیری شود.

اهمیت و کاربرد آزمایش تعیین رطوبت خاک

درصد رطوبت خاک یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های خاک است که در ایجاد ارتباط بین رفتار خاک و سایر ویژگی‌های شاخص آن به کار می‌رود. مهم ترین کاربردهای این آزمایش عبارتند از:

•  پایداری و مقاومت خاک: در خاک‌های ریزدانه، پایداری و مقاومت خاک به شدت به درصد رطوبت آن بستگی دارد. خاک‌های مرطوب‌تر، مقاومت برشی کمتری دارند و ضعیف‌تر عمل می‌کنند.

 • روابط فازی خاک: مقدار آب موجود برای بیان روابط فازی بین هوا، آب و ذرات جامد خاک در یک حجم معین از مصالح استفاده می‌شود.

• تعیین حدود اتربرگ: درصد رطوبت خاک، به همراه حدود روانی و خمیری تعیین‌شده توسط استاندارد D4318، برای تعیین غلظت نسبی یا قوام خاک و شاخص روانی آن به کار می‌رود.

• اساس سایر آزمایش‌ها: بسیاری از آزمایش‌های صحرایی و آزمایشگاهی ژئوتکنیکی مانند آزمایش تراکم خاک، آزمایش حدود اتربرگ، آزمایش تک محوری، و روابط وزنی-حجمی خاک بدون انجام تست درصد رطوبت امکان‌پذیر نیست.

وسایل و تجهیزات مورد نیاز برای آزمایش درصد رطوبت خاک

برای انجام آزمایش تعیین رطوبت خاک، طبق استاندارد ASTM D2216 وISIRI 7883  به تجهیزات زیر نیاز دارید:

•  ظروف نمونه‌برداری:

    ◦ باید از مواد مقاوم در برابر خوردگی و تغییر وزن در اثر حرارت‌دهی مکرر، سرد کردن، قرار گرفتن در معرض مواد با PHهای مختلف و شستشو ساخته شده باشند، مانند ظروف آلومینیومی یا حلبی.

    ◦ برای نمونه‌های با وزن کمتر از ۲۰۰ گرم: ظروف با درپوش محکم و بسته نیاز است تا از تبخیر رطوبت قبل از توزین اولیه و جذب رطوبت محیط پس از خشک شدن جلوگیری شود.

    ◦ برای نمونه‌های با وزن بیشتر از ۲۰۰ گرم: می‌توان از ظروف بدون درپوش و حتی سینی استفاده کرد.

    ◦ هر ظرف و درب آن باید دارای یک شماره شناسایی منحصربه‌فرد باشند.

•  گرمخانه (آون):

    ◦ باید قادر به کنترل و توزیع یکنواخت دما در محدوده 110 ± 5  درجه سانتی‌گراد باشد.

    ◦ ترجیحاً از نوع تهویه‌دار، مجهز به ترموستات و دارای فن باشد.

•  ترازو: دقت ترازو باید مطابق با موارد زیر باشد باشد.

    ◦ برای نمونه‌های کمتر از ۲۰۰ گرم: ترازویی با دقت 0.01 گرم.

    ◦ برای نمونه‌های ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ گرم: ترازویی با دقت 0.1 گرم.

    ◦ برای نمونه‌های بیش از ۱۰۰۰ گرم: ترازویی با دقت 1  گرم.

•  دسیکاتور (اختیاری):

استفاده از آن برای خنک کردن نمونه‌ها پس از خشک شدن و جلوگیری از جذب رطوبت محیط توصیه می‌شود.

•  لوازم جابجایی:

    ◦ دستکش مقاوم در برابر حرارت، انبر یا نگهدارنده مناسب برای جابجایی ظروف داغ پس از خشک شدن.

حداقل مقدار نمونه لازم برای انجام آزمایش بر اساس استاندارد ASTM D2216 و ISIRI 7883

نمونه آزمایش باید به گونه‌ای انتخاب شود که معرف وضعیت رطوبت کل نمونه باشد. نوع نمونه برداري و مقدار الزم اساساً به هدف آزمون، جنس ماده و نوع آزمونه بستگي دارد. در هر صورت آزمونه برداشته شده بايد شاخص كل نمونه باشد. براي نمونه‌برداري از يك توده ابتدا مواد را خوب مخلوط كرده و مقدار ماده مرطوب نمونه‌برداري شده بايد مطابق جداول زیر باشد. در این جداول حداقل جرم پیشنهادی برای نمونه مرطوب بر اساس اندازه دانه و دقت مورد نیاز برای گزارش درصد رطوبت به ترتیب در استانداردهای ASTM D2216 و ISIRI 7883 آورده شده است.

حداقل جرم پیشنهادی برای نمونه مرطوب بر اساس استاندارد ASTM D2216

حداقل جرم پیشنهادی برای نمونه مرطوب بر اساس استاندارد ISIRI 7883

چنانچه مقدار آزمونه مورد آزمون كمتر از مقادير گزارش شده باشد بايد با احتياط عمل شود، هر چند كه مقدار موجود جهت برآورده نمودن هدف آزمون كافي باشد. در چنين حالتي بايد در گزارش نتايج اين موضوع درج شود.

روند انجام آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک

این آزمایش با پیروی از مراحل زیر انجام می‌شود تا از دقت و صحت نتایج اطمینان حاصل شود:

1- آماده‌سازی ظروف: ابتدا، یک ظرف تمیز و خشک مناسب (با درپوش یا بدون درپوش بسته به وزن نمونه) را انتخاب کرده و وزن آن را با دقت مناسب اندازه‌گیری و ثبت کنید (M_c). ظروف باید شماره‌گذاری شوند تا از اختلاط نمونه‌ها جلوگیری شود.

2- انتخاب نمونه: نمونه‌ای معرف از خاک را طبق جداول ارائه شده در قسمت قبل انتخاب کنید.

3- توزین اولیه: نمونه خاک مرطوب را در ظرف قرار داده، درپوش را محکم روی آن بگذارید (در صورت استفاده) و وزن ظرف به همراه نمونه مرطوب را با ترازوی مناسب اندازه‌گیری و ثبت کنید (M_cws).

4- خشک کردن در گرمخانه: درپوش ظرف را برداشته و ظرف حاوی نمونه مرطوب را درون گرمخانه با دمای 110 ± 5 درجه سانتی‌گراد قرار دهید.

    ◦ مدت زمان خشک شدن: زمان لازم برای رسیدن به وزن ثابت معمولاً بین 12 تا 16 ساعت است. برای اطمینان کامل، می‌توان نمونه را تا 24 ساعت در گرمخانه نگه داشت. اگر تردیدی وجود دارد، خشک کردن باید تا زمانی ادامه یابد که تغییر وزن در دو توزین متوالی (با فاصله بیش از یک ساعت) کمتر از 0.1 درصد باشد. نمونه‌های ماسه‌ای ممکن است در حدود 4 ساعت خشک شوند.

    ◦ تسهیل در خشک شدن: برای نمونه‌های بزرگتر، می‌توان خاک را روی سینی‌های پهن پخش کرده یا به قطعات کوچکتر تقسیم کرد تا خشک شدن سریع‌تر انجام شود.

    ◦ نکته مهم: قبل از قرار دادن نمونه‌های مرطوب در گرمخانه، نمونه‌های خشک شده قبلی را خارج کنید، زیرا نمونه‌های خشک قادر به جذب رطوبت از نمونه‌های مرطوب مجاور هستند.

5- توزین نهایی: پس از خشک شدن و رسیدن به وزن ثابت، ظرف را از گرمخانه خارج کرده، درپوش آن را بگذارید (در صورت استفاده) و اجازه دهید تا در دمای اتاق خنک شود. سپس وزن ظرف به همراه نمونه خشک شده را با همان ترازوی اولیه اندازه‌گیری و ثبت کنید(M_cds). برای تسریع و اطمینان از خنک شدن بدون جذب رطوبت، می‌توان از نیز دسیکاتور استفاده کرد.

روابط محاسباتی و خروجی‌های آزمایش درصد رطوبت خاک

پس از اندازه‌گیری وزن‌های لازم، درصد رطوبت خاک (w) با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

w =(وزن ذرات جامد خشک / وزن آب) ×100

به صورت فرمولی دقیق‌تر:

w = (M_w / M_s) × 100

که در آن:

• w: درصد رطوبت

• M_cws: جرم نمونه مرطوب به همراه ظرف (بر حسب گرم)

• M_cds: جرم نمونه خشک به همراه ظرف (بر حسب گرم)

• M_c: جرم ظرف (بر حسب گرم)

• M_w: جرم آب (بر حسب گرم) = M_cws – M_cds

• M_s: جرم ذرات جامد خشک (بر حسب گرم) = M_cds – M_c

نکته: درصد رطوبت خاک می‌تواند بیش از 100 درصد نیز باشد، به خصوص در خاک‌های آلی با چگالی پایین. این به معنای آن است که وزن آب موجود در خاک، بیشتر از وزن ذرات جامد خشک آن است.

گزارش نتایج: درصد رطوبت باید بر اساس حداقل مقدار نمونه و دقت مورد نیاز، به نزدیکترین 0.1% یا 1% گزارش شود. هر گونه مغایرت با استاندارد (مانند جرم کمتر از حداقل، دمای گرمخانه متفاوت) باید در گزارش ذکر شود.

درصد رطوبت طبیعی در حالت اشباع برای خاک‌های مختلف

اگرچه انجام آزمایش درصد رطوبت خاک ضروری است، اما در برخی شرایط، امکان انجام آن وجود ندارد. در چنین مواردی، می‌توان از مقادیر تقریبی درصد رطوبت طبیعی خاک‌های مختلف در حالت اشباع استفاده کرد:

نکته: خاک‌های ماسه‌ای و شنی عموماً حداکثر رطوبت 15 تا 20 درصد دارند، در حالی که خاک‌های ریزدانه مانند رس و سیلت می‌توانند بین 50 تا 80 درصد رطوبت داشته باشند. خاک‌های شدیداً آلی حتی می‌توانند درصد رطوبتی در حدود 130% را نشان دهند.

جدول خام پیشنهادی جهت گزارش‌نویسی درصد رطوبت خاک

برای ثبت دقیق و منظم نتایج آزمایش درصد رطوبت خاک، استفاده از جدول زیر توصیه می‌شود: