آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک چیست و چگونه انجام می شود؟

آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک روشی آزمایشگاهی است که نسبت جرم آب موجود در نمونه به جرم خاک خشک آن را به‌صورت درصد مشخص می‌کند. روش کار ساده است؛ نمونه مرطوب وزن می‌شود، در آون با دمای صد و ده درجه سلسیوس تا رسیدن به جرم ثابت خشک می‌گردد و اختلاف دو وزن، جرم آب را می‌دهد.

در ادامه هدف، تجهیزات، مراحل اجرا، فرمول و استاندارد این آزمایش را بررسی می‌کنیم.

آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک چیست؟

آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک پایه‌ای‌ترین و پرتکرارترین آزمون مکانیک خاک است و نتیجه آن در بسیاری از آزمون‌های دیگر هم استفاده می‌شود. خروجی آن یک عدد است؛ درصد رطوبت یا به بیان دقیق‌تر، درصد آب نسبت به خاک خشک.

نکته‌ای که اغلب اشتباه فهمیده می‌شود، مخرج همین کسر است. در تعیین درصد رطوبت خاک، جرم آب بر جرم خاک خشک تقسیم می‌شود، نه بر جرم کل نمونه مرطوب؛ به همین دلیل درصد رطوبت می‌تواند از صد هم بیشتر شود، مثلا در خاک‌های رسی بسیار نرم یا لجن.

اصل کار بر یک فرض ساده استوار است؛ هر کاهش جرمی که در اثر خشک شدن در آون رخ می‌دهد، مربوط به آب است. به همین دلیل دما و زمان خشک کردن باید دقیق کنترل شوند تا فقط آب از نمونه خارج شود.

هدف و کاربرد آزمایش درصد رطوبت خاک

هدف آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک، شناخت وضعیت لحظه‌ای خاک است؛ چون بسیاری از خواص مکانیکی خاک با تغییر رطوبت عوض می‌شوند. خاکی که در حالت خشک باربر است، ممکن است در حالت اشباع مقاومت خود را از دست بدهد.

کاربردهای عملی این عدد در پروژه‌های عمرانی گسترده است. کنترل تراکم خاکریز، محاسبه وزن مخصوص خشک، بررسی نشست، طراحی پی و کنترل کیفیت عملیات خاکی، همگی به درصد رطوبت نیاز دارند.

در کشاورزی و منابع طبیعی هم همین آزمون مرجع است. برنامه‌ریزی آبیاری، سنجش ظرفیت نگهداشت آب خاک و کالیبره کردن سنسورهای رطوبت مزرعه، بر پایه نتیجه آزمون آزمایشگاهی انجام می‌شوند.

کاربرد سوم، نقش پشتیبان این آزمون برای سایر آزمون‌هاست. در آزمون تراکم، تحکیم، برش و حدود اتربرگ، درصد رطوبت نمونه باید ثبت شود و بدون آن، نتیجه آن آزمون‌ها قابل تفسیر نیست.

حدود اتربرگ نمونه روشنی از همین وابستگی است، چون حد روانی و حد خمیری در واقع درصد رطوبت خاک در دو حالت مرزی هستند. برای شناخت این آزمون، مطلب آزمایش حدود اتربرگ را مطالعه کنید.

وسایل مورد نیاز برای آزمایش تعیین درصد رطوبت

فهرست تجهیزات آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک کوتاه است و همین سادگی، دلیل رایج بودن آن در همه آزمایشگاه‌های خاک به شمار می‌رود. جدول زیر هر وسیله و نقش آن را نشان می‌دهد.

دو نکته درباره این فهرست اهمیت دارد. دقت ترازو باید متناسب با جرم نمونه انتخاب شود و ظرف نمونه باید درپوش داشته باشد، چون تبخیر در فاصله برداشت تا وزن کردن، نتیجه را مستقیم خطادار می‌کند.

تهیه این مجموعه برای یک آزمایشگاه تازه‌تاسیس، نخستین گام راه‌اندازی است. اگر در حال تجهیز آزمایشگاه هستید، فهرست خرید تجهیزات آزمایشگاه خاک ابزار پک را بر اساس حجم کار و نوع پروژه‌های خود بررسی کنید.

روش انجام آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک

روش آزمایش درصد رطوبت خاک پنج مرحله دارد و ترتیب آن‌ها نباید جابه‌جا شود. دقت در وزن کردن، تعیین‌کننده دقت نتیجه نهایی است.

وزن کردن ظرف خالی

ظرف نمونه را تمیز، کاملا خشک و شماره‌گذاری‌شده روی ترازو بگذارید و جرم آن را ثبت کنید. این عدد پایه همه محاسبات بعدی است و اشتباه در آن، هر دو جرم آب و خاک خشک را خطادار می‌کند.

شماره‌گذاری ظرف‌ها کار ساده‌ای است که از خطای رایج آزمایشگاه جلوگیری می‌کند. وقتی چند نمونه همزمان در آون قرار می‌گیرند، تطبیق هر ظرف با وزن اولیه خودش بدون شماره ممکن نیست.

ظرف باید پیش از وزن کردن خشک باشد. رطوبت باقی‌مانده از شستشوی قبلی، به حساب آب نمونه گذاشته می‌شود و درصد رطوبت را بیش از مقدار واقعی نشان می‌دهد.

وزن کردن ظرف و خاک مرطوب

نمونه مرطوب را بدون فشردن داخل ظرف بریزید، درپوش را ببندید و مجموعه را وزن کنید. این وزن باید بلافاصله پس از باز کردن ظرف نمونه‌برداری ثبت شود.

سرعت در این مرحله اهمیت دارد. هر دقیقه تاخیر در هوای گرم آزمایشگاه، بخشی از آب نمونه را تبخیر می‌کند و نتیجه را به سمت پایین می‌برد.

مقدار نمونه هم باید متناسب با درشتی ذرات انتخاب شود. برای خاک‌های ریزدانه نمونه کوچک‌تر کافی است و برای خاک‌های درشت‌دانه، نمونه باید بزرگ‌تر باشد تا نماینده واقعی توده خاک باشد.

خشک کردن نمونه در آون

ظرف را با درپوش برداشته داخل آون بگذارید و دما را روی صد و ده درجه سلسیوس با رواداری پنج درجه تنظیم کنید. نمونه باید تا رسیدن به جرم ثابت در آون بماند.

مفهوم جرم ثابت یعنی وزن نمونه در دو توزین متوالی با فاصله زمانی مشخص، تغییر محسوسی نکند. در عمل برای بیشتر خاک‌ها، ماندن یک شب کامل در آون این شرط را برآورده می‌کند.

برای خاک‌های گچی و خاک‌های با مواد آلی بالا، این دما مشکل‌ساز است. در این نمونه‌ها، دمای صد و ده درجه آب تبلور یا بخشی از مواد آلی را هم خارج می‌کند و استانداردها دمای پایین‌تری توصیه می‌کنند.

وزن کردن خاک خشک

نمونه را از آون خارج کنید، درپوش را ببندید و پیش از توزین، آن را در دسیکاتور تا دمای محیط خنک کنید. وزن کردن نمونه داغ، به دلیل جریان هوای گرم اطراف کفه ترازو، عدد نادرست می‌دهد.

خنک کردن در هوای آزاد و بدون دسیکاتور هم یک خطای رایج است. خاک خشک رطوبت هوا را جذب می‌کند و وزن خشک ثبت‌شده از مقدار واقعی بیشتر می‌شود.

پس از خنک شدن، مجموعه ظرف و خاک خشک را وزن کنید و عدد را ثبت کنید. حالا هر سه جرم لازم برای محاسبه در اختیار شماست.

محاسبه جرم آب و درصد رطوبت

جرم آب از تفاضل وزن ظرف به‌علاوه خاک مرطوب و وزن ظرف به‌علاوه خاک خشک به دست می‌آید. جرم خاک خشک هم اختلاف وزن ظرف به‌علاوه خاک خشک با وزن ظرف خالی است.

تقسیم این دو عدد بر هم و ضرب در صد، درصد رطوبت را می‌دهد. محاسبه درصد رطوبت خاک در همین یک تقسیم خلاصه می‌شود و پیچیدگی دیگری ندارد.

نتیجه را همراه با مشخصات نمونه ثبت کنید؛ شماره ظرف، سه جرم اندازه‌گیری‌شده، محل و عمق نمونه‌برداری و تاریخ آزمون. بدون این اطلاعات، عدد به دست آمده قابل استناد نیست.

فرمول محاسبه درصد رطوبت خاک

فرمول آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک بر پایه سه جرم اندازه‌گیری‌شده نوشته می‌شود:

• جرم ظرف خالی: عدد ثبت‌شده در مرحله اول.
• جرم ظرف به‌علاوه خاک مرطوب: عدد ثبت‌شده در مرحله دوم.
• جرم ظرف به‌علاوه خاک خشک: عدد ثبت‌شده پس از آون و خنک شدن.

درصد رطوبت برابر است با اختلاف جرم ظرف با خاک مرطوب و جرم ظرف با خاک خشک، تقسیم بر اختلاف جرم ظرف با خاک خشک و جرم ظرف خالی، ضرب در صد. صورت کسر همان جرم آب و مخرج آن جرم خاک خشک است.

یک مثال عددی موضوع را روشن می‌کند. اگر ظرف خالی پنجاه گرم، ظرف با خاک مرطوب دویست و پنجاه گرم و ظرف با خاک خشک دویست گرم باشد، جرم آب پنجاه گرم و جرم خاک خشک صد و پنجاه گرم است؛ پس درصد رطوبت حدود سی و سه درصد می‌شود.

خطای رایج در همین محاسبه، گذاشتن جرم نمونه مرطوب در مخرج است. اگر در مثال بالا به‌جای صد و پنجاه، عدد دویست در مخرج قرار بگیرد، نتیجه بیست و پنج درصد می‌شود که با مقدار درست فاصله زیادی دارد.

استاندارد آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک

استاندارد آزمایش رطوبت خاک که در بیشتر آزمایشگاه‌ها مرجع قرار می‌گیرد، استاندارد ای اس تی ام با شماره دی دو هزار و دویست و شانزده است. عنوان این استاندارد، روش‌های آزمون آزمایشگاهی تعیین مقدار آب خاک و سنگ بر مبنای جرم است.

دو الزام کلیدی این استاندارد همان مواردی است که در مراحل بالا آمد؛ دمای خشک کردن صد و ده درجه سلسیوس با رواداری پنج درجه و ادامه خشک کردن تا رسیدن به جرم ثابت.

استاندارد، شیوه گزارش نتیجه را هم مشخص می‌کند. گزارش باید شامل شناسه نمونه، سه جرم اندازه‌گیری‌شده، درصد رطوبت محاسبه‌شده و اطلاعات نمونه‌برداری باشد تا نتیجه قابل ردیابی و بازبینی بماند.

استانداردهای ملی هر کشور هم معمولا نسخه منطبق یا معادل همین روش را منتشر می‌کنند. پیش از شروع کار، مشخص کنید کارفرمای پروژه کدام مرجع را ملاک قرار داده است.

رده‌بندی کامل خاک تنها با درصد رطوبت انجام نمی‌شود و توزیع اندازه ذرات هم لازم است. برای آشنایی با این آزمون مکمل، مطلب آزمایش دانه بندی خاک را بخوانید.

جمع بندی؛ این آزمون را با چه ترتیبی اجرا کنیم؟

آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک در پنج گام انجام می‌شود. ظرف خالی را وزن و شماره‌گذاری کنید، نمونه مرطوب را بلافاصله پس از برداشت وزن کنید، آن را در دمای صد و ده درجه سلسیوس تا رسیدن به جرم ثابت در آون بگذارید، پس از خنک شدن در دسیکاتور دوباره وزن کنید و در آخر، جرم آب را بر جرم خاک خشک تقسیم و در صد ضرب کنید. سه خطای رایج را هم کنار بگذارید؛ گذاشتن جرم نمونه مرطوب در مخرج، وزن کردن نمونه داغ و تاخیر در توزین نمونه مرطوب.

نتیجه این آزمون در آزمون‌های مکانیکی خاک هم ثبت می‌شود و رطوبت نمونه، مستقیم روی رفتار آن در بارگذاری اثر می‌گذارد. آزمون تحکیم یکی از همین موارد است که نشست خاک را در برابر بار بررسی می‌کند؛ برای تجهیز آزمایشگاه خود، مشخصات خرید دستگاه تحکیم خاک ابزار پک را با نیاز پروژه‌های خود بسنجید.

سنجش مقاومت برشی خاک هم به ثبت همزمان درصد رطوبت نمونه وابسته است. اگر این آزمون در برنامه کاری شما قرار دارد، مدل‌های خرید دستگاه برش مستقیم را بر اساس ابعاد نمونه و محدوده بار مورد نیاز انتخاب کنید.