بخشی از مقاله
خلاصه
روش متداول در مهندسی عمران جهت تعیین نحوه توزیع اندازه ذرات ریزدانه خاک، انجام آزمایش هیدرومتری می باشد. طی چند دهه اخیر استفاده از روش های نوین و دستگاه های اتوماتیک اندازه گیری ذرات، در زمینه های مختلف علمی از قبیل شیمی، داروسازی، رسوب شناسی و ... رشد چشمگیری داشته است.
بنابراین در این تحقیق ضرورت استفاده از فناوری های جدید برای رسیدن به نتایج بهتر در خصوص تعیین دانه بندی بخش ریزدانه خاک در نظر گرفته شده است. در مقاله حاضر، امکان استفاده از تکنیک های نوین پردازش تصاویر و پراش لیزر، بررسی شده و نسبت به ارائه نتایج تعیین توزیع اندازه ذرات ریز خاک به صورت منحنی دانه بندی بر حسب وزن مبادرت شده است. نتایج بدست آمده از تحلیل اندازه دانه ها با بهره گیری از روش های مدرن، نشان دهنده توانایی این روش های نوین در ارائه تصویر بهتر و دقیق تری از توزیع اندازه ذرات ریزدانه خاک می باشد.
1. مقدمه
روش های رایج که برای اندازه گیری توزیع اندازه ذرات خاک مورد استفاده قرار می گیرند با تفاوت کمی بین کشور های مختلف به خوبی تثبیت شده است. اجزای بزرگ به وسیله دست اندازه گیری می شود، در حالی که ماسه و شن با آزمایش الک و سیلت و رس - خاک عبوری از الک شماره - 200 نیز با آزمایش های تهنشینی اندازه گیری و دانه بندی می شوند. آزمایش هیدرومتری رایج ترین آزمایش از سری آزمایش های تهنشینی می باشد. - برای مثال استانداردهای [1] BS 1377 و [2] ASTM D422 را مشاهده کنید - .
این تکنیک ها برای اولین بار در ابتدای قرن 20 استفاده شدند که اصول آن ها توسط اتربرگ و ویگنر شرح داده شد. در حدود نیم قرن اخیر تعداد قابل توجهی از تکنیک های جدید اندازه گیری ذرات ریز توسعه یافته و اکنون دستگاه های متنوع زیادی که از اصول اندازه گیری مختلف بهره برده اند، در دسترس می باشند. برای مهندسان ژئوتکنیک این سوال پیش می آید که با در نظر گرفتن تغییرات روش های استاندارد و بهره گیری از مزیت این توسعه ها، باید کدام روش نوین آزمایش را برگزینند تا در شرایط کنترل شده، هر چه سریع تر به نتایج قابل تکرار برسند.
تعیین توزیع اندازه ذرات که در عمران به آزمایش دانه بندی معروف است، برای نمونه خاک ممکن است بخاطر اهدافی چون طبقه بندی خاک، چینه شناسی یا برای انطباق با مشخصات مواد به کار رفته در ساخت و ساز از جمله برای مواد زیر اساس جاده ها و مخلوط های بتنی مورد استفاده قرار گیرد.
نتایج آزمایش های ثانویه می تواند به رد مواد به کار رفته در ساخت و ساز و اختلافات قراردادی بعدی منجر شود. بنابراین تست های انطباق نیاز به نتایج دقیق تری دارد. روش جدید برای تعیین توزیع اندازه ذرات باید ساده و قابل تکرار بوده و نیز نتایج این آزمایش ها می بایست با نتایج روش های استاندارد سازگار باشد . علاوه بر این، باید قادر به تعیین اندازه طیف وسیعی از ذرات خاک نمونه باشد. در این مقاله اصول اجرایی تکنیک های نوین پردازش تصویر و پراش لیزر را بیان کرده و با تحلیل نتایج حاصله از آزمایش بخش ریزدانه خاک توسط روش های مذکور، امکان جایگزینی روش های نوین را به جای روش های سنتی بررسی می نماییم.
2. اصول اجرایی آزمایش های توزیع اندازه ذرات
تعریف دقیقی برای اندازه ذره وجود ندارد ذرات خاک و سنگ سه بعدی هستند وشکلی نامنظم دارند. اندازه ذره نمی تواند منحصراً توسط یک پارامتر بیان گردد مگر اینکه کروی یا مکعب شکل باشد. از آنجایی که اندازه ذرات نقش مهمی در کنترل کیفیت بسیاری از صنایع ایفا میکند - به عنوان مثال چسب، مواد شیمیایی، بیوتکنولوژی، سرامیک، مواد غذایی، داروسازی و ... - ، بسته به نیاز، تعریف و روش اندازه گیری اندازه ذرات توسعه یافته است. بعضی تعریف ها در شکل - 1 - نشان داده شده اند.
شکل - 1 تعریف های مختلف اندازه ذره
روش های مکانیزه تعیین توزیع اندازه ذرات که مورد بررسی قرار می دهیم عبارتند از: .1 تهنشینی .2 پراش لیزر .3 پردازش تصویر ، هر کدام از این روش ها بر یک اصل متفاوت اندازه گیری پایه ریزی شده اند و فقط در بازه خاصی از اندازه ذرات قابل اجرا هستند که به طور خلاصه در جدول شماره 1 نشان داده شده است.در مورد اصول اساسی هر یک از روش های بالا به طور خلاصه در پاراگراف های بعدی بحث شده است. و به طور کلی تکنیک های موجود فقط برای ذرات کروی نتایج مشابه خواهند داشت.
جدول - 1 محدوده اندازه تعیین شده توسط تکنیک های مختلف اندازه گیری
مواد درشت دانه خاک - ماسه و قسمتی از شن - با استفاده از الک اندازه گیری می شود. روش الک تر [2, 1] رایج ترین روش تحلیل توزیع اندازه ذرات است که مورد استفاده آزمایشگاه های ژئوتکنیک می باشد. روش الک تر شامل حذف اولیه خاک ریزدانه با شستن نمونه خاک روی الک ریز و سپس الک کردن درشت دانه باقی مانده - به روش الک خشک - ، می باشد. در روش الک، اندازه ذرات به طور میانگین به عنوان طول ضلع یک مربع دیافراگم الک که از طریق آن فقط یک ذره می تواند عبور کند، تعریف می شود.[4] و برای لای و رس از آزمایش تهنشینی استفاده می شود.
در روش های تهنشینی اندازه ذرات را بر اساس قانون استوکس که در آن فرض می شود شکل ذرات کروی و جریان آرام است، بیان می شود. در آزمایش های خاک، روش پیپت در استاندارد BS 1377 ترجیح داده شده است، درحالیکه بیشتر دنیا از آزمایش هیدرومتری که در ASTM D422 آمده است، استفاده می کند. روش تهنشینی بصورت اتوماتیک با تجهیزات رسوب گرانشی اشعه ایکس، انجام می پذیرد. در هر حال، عموماً ذرات ریز که در روش های تهنشینی استفاده می شود کروی نبوده بلکه صفحه ای می باشند. اگر ذرات صفحه ای باشند سرعت تهنشینی به خاطر افزایش مقاومت در برابر کشیده شدن، کاهش می یابد.
و علاوه بر اینکه ذرات به طور عمودی نمی افتند، در هنگام افتادن از سمتی به سمت دیگر رانده می شوند. بنابر این روش تهنشینی اندازه ذرات مسطح را با بعد طولی آنها بیان می کند.5] و[6 که این اثر با افزایش میزان مسطح بودن ذرات بیشتر هم می شود. برخی تولیدکنندگان ابزار های اتوماتیک پیشنهاد می کنند که روش های تهنشینی می تواند برای اندازه گیری ذرات بین 0,1 تا µm 300 به کار رود. با این حال، روش های تهنشینی به قانون استوکس متکی هستند و ممکن است نتایج به درستی تفسیر نشود. استفاده از تکنیک های تهنشینی برای تعیین اندازه ذرات بین µm 2 تا µm 60 مناسب است.
روش پراش لیزر - LD - ، [7] این روش اندازه ذره را با قطر کره معادل - که بر اساس الگوی پراش پرتو نور تعیین شده - تعریف می کند، و به طور کلی بر این اساس کار می کند که وقتی یک اشعه لیزر به ذره ای می تابد و انحراف جزیی نور لیزر باعث ایجاد حلقه هایی در روی آشکار ساز واقع در محل پشت ذره می شود ، اندازه ذرات بر اساس فاصله این حلقه ها اندازه گیری می شود.
بدین ترتیب که ذرات کوچک حلقه هایی با فاصله کم و ذرات بزرگتر حلقه هایی با فاصله بیشتر تولید می کنند. در این روش فرض می شود ذرات کروی هستند، حال اگر ذرات واقعا پهن باشند بخاطر افزایش تعداد ذرات در واحد حجم، منجر به برآورد بیشتر تعداد ذرات می شود.[8] با این حال چون الگوی پراش زیاد تحت تاثیر بعد سوم ذره نیست، محاسبه اندازه ذره تفاوت چندانی نمی کند. همچنین نتایج حاصله تحت تاثیر جهت گیری تصادفی ذرات در فضای سه بعدی - شکل - 3 و ویژگی های نوری مفروض مواد می باشد. این روش برای ذرات با اندازه 1 تا µm 2000 قابل استفاده است. عملکرد کلی این روش را در شکل 2 مشاهده می کنیم.
شکل - 2 شماتیک ساده ای از روش کار پراش لیزر
