Atterbergi piiride määramine
Kirjeldame voolavuspiiri, plastsuspiiri ja kahanemispiiri määramise katseid, mis on mullamehaanikas kõige olulisemad. Kõik need katsed tehakse segatud sideainega pinnase häiritud proovidel.
Voolavuspiiri määramise katse
Selle katse jaoks võetakse umbes 200 p mulda looduslikult niiskes olekus, ilma teradeta läbimõõduga üle 0,5 mm, mis võiksid katsetulemuse täpsust häirida. Proovi ei tohi kuivatuskapis kuivatada, vaid see asetatakse otse destilleeritud veega portselantassi, kuhu see peab jääma mitmeks tunniks, kuni see on põhjalikult läbi niiskunud. Savi puhul, mille plastilisusindeks IP < 20, kestab läbiniisutamine umbes 4 tundi; savi puhul IP > 20 kuni 18 tundi. Seejärel kantakse läbi niisutatud proov klaasplaadile ja segatakse laborinoaga korralikult läbi, et saada ühtlase koostisega paks pulp. Kui märgatakse osakesi, mis on suuremad kui 0,5 mm, eemaldatakse need segamise käigus.
Nii ettevalmistatud proov kallatakse Casagrande’i seadme messingist kaussi voolavuspiiri määramiseks (joon. 1), mida meie laborites nimetatakse Casagrande’i loksutiks.
Joon. 1. Cassagrande’i seade voolavuspiiri määramiseks
Seade koosneb messingist kausist, mis ühendatakse seadmega spetsiaalse ühenduse abil, ja elastsest kõvast kummist alusest, mille ülaosas on ekstsenter ja pööramiskäepide; ekstsenter tõuseb kõrgusele 1 cm, mille tõttu kauss langeb ja lööb vastu alust (joon. 1a). Seadme mõõtmed on standardiseeritud. Lisaks on olemas ka profileeritud nuga täpselt määratud mõõtmetega (joon. 1b).
Saadud proov ühtlustatakse messingkausis noaga nii, et proovi pind oleks täiesti tasane ja proov kataks veidi rohkem kui kausi esiosa poole, kusjuures selle kõrgus kausi põhja madalaimast punktist oleks umbes 12 mm. Seejärel ühendatakse kausike seadmega ja profiilnoaga lõigatakse keskele vagu nii, et see oleks täiesti sirge ja et messingist kausi põhi oleks nähtav, mida saavutatakse noaga ettevaatlikult kausi põhjaga risti tõmmates. Vao pikkus peab olema umbes 40 mm. Kohe pärast seda pööratakse seadme vänt 2 pööret sekundis, samal ajal loendatakse kausi lööke alusele ja jälgitakse vagu, mis kausi löökide tõttu alusele kitseneb, kuna lõigatud proovi osad liiguvad ja püüavad ühineda. Seadme vända pööramist jätkatakse seni, kuni vagu sulgub pikkusel 10 mm. Kui see on saavutatud, lõpetatakse edasine väntamine ning seejärel võetakse noaga kohe välja umbes 2 cm3 suurune proov osa ümber ühinenud vao mõlemalt poolt, asetatakse kellaklaasidele ja määratakse pinnase niiskus.
Seda katset korratakse 3-4 korda samal viisil, kuid iga kord erineva niiskusega, mida saavutatakse nii, et proov segatakse kõigepealt väiksema veekogusega ja seejärel lisatakse vett ülejäänud katsete jaoks. Pärast iga lõpetatud katset kallatakse proov klaasplaadile, kuhu lisatakse veidi vett ja segatakse hästi läbi, et saada ühtlane, iga kord veidi vedelam pudrune mass.
Katse läbiviimiseks valmistatud puder ei tohi olla liiga paks ega liiga vedel, sest pinnase konsistentsi seisundid, mis on voolavuspiirist liiga kaugel, ei taga selle katse jaoks vajalikku täpsust. Tavaliselt võetakse aluseks, et kui löökide arv on väiksem kui 10 või suurem kui 50, siis katse ei õnnestunud, kuid arvatakse, et katse täpsus on parem, kui nende piiride vahe on 10-40 lööki.
Märgitakse, et ühe menetluse järgi tuleb pärast iga käepideme pööramise lõpetamist kuni vao kokkusaamiseni pikkusel 1 cm proovi messingkausis kohe noaga läbi segada ja proovi pind kausis uuesti tasandada, lõigata uus vagu, seejärel pöörata aparaadi käepidet. Seda protseduuri korratakse seni, kuni saavutatakse, et kolm korda järjest saadakse sama löökide arv vao kokkusaamisel pikkusel 1 cm, ning seda arvu võetakse edasiseks protsessiks voolavuspiiri määramisel. Katsetulemused kantakse semilogaritmilise jaotusega diagrammile (joon. 2). Abstsissteljele kantakse löökide arv logaritmilises jaotuses ning ordinaatteljele vee kogus proovi kuivkaalu protsentides aritmeetilises jaotuses. Kuna igas katses on vee kogus w erinev, saame punktid A, B, C ja D, mis vastavad erinevale löökide arvule, kusjuures löökide arv on väiksem, mida suurem on vee kogus, ja vastupidi. Neid punkte ühendades saame kaldu sirge, millel otsime punkti M väärtusele 25 lööki. Sellele punktile vastav vee kogus võetakse voolavuspiiriks wL.
Sl. 2. Voolavuspiiri määramine
Plastsuspiiri määramine
Eespool kirjeldatud viisil valmistatud pinnaseproov, kuid väiksema veesisaldusega, nii et see oleks plastmass umbes sitkelt plastilises olekus, kogutakse palliks umbes 2-3 cm3 suuruseks, seejärel rullitakse seda peopesaga tavapaberi või imava paberi pinnal vardaks, mille läbimõõt on 3 mm. Kui proovi saab sellise paksuseni rullida ilma murdumiseta, kogutakse see uuesti palliks ja rullitakse samal viisil. Seda toimingut korratakse seni, kuni vardake hakkab paksusel 3 mm murduma. Siis asetatakse purunenud vardakesed kellaklaasidele ja määratakse veekogus. See veekogus, väljendatuna proovi kuivkaalu protsendina, vastab plastsuspiirile wP.
Kokkutõmbumispiiri määramine
Joon. 3. Kahanemispiiri määramine
Pinnaseproov segatakse destilleeritud veega nii, nagu on kirjeldatud jaotises Voolavuspiiri määramise katse, nii et selle konsistents oleks ligikaudu voolavuspiiril, kui kõik poorid on veega küllastunud. Seejärel tehakse pall, mis jäetakse kuivama kõigepealt õhu käes, seejärel kuivatuskapis temperatuuril 105°C. Selline kuivamisjärjekord on vajalik selleks, et vältida kuivanud proovis pragusid, mis võiksid katset häirida. Kohe alguses mõõdetakse proovi kaal W1 ja määratakse selle ruumala V1 elavhõbedasse kastmise katsega, seejärel kuivatatakse edasi õhu käes ja pärast seda kuivatuskapis, võttes aeg-ajalt proovi välja, jahutades eksikaatoris ja mõõtes selle kaalu W2, W3, W4 jne ning ruumala V2, V3, V4 jne. Sel viisil tehakse kindlaks, et ühel niiskusseisul proovi ruumala lakkab vähenemast, kuigi selle kaal kuivamise tõttu veel langeb. Kui proov on oma algseisundis veega küllastunud, s.t. poorides ei sisalda õhku, siis proovi kuivamisel kuni kahanemispiirini kaotatud vee hulk vastab ligikaudu proovi ruumala vähenemisele. Pärast seda jätkatakse kuivamist ilma ruumala mõõtmiseta seni, kuni proov on täielikult kuivanud, s.o kuni püsikaaluni. Siis määratakse vee hulk protsendina proovi kuivkaalust iga proovi ruumala ja kaalu mõõtmise korral ning katse tulemused kantakse diagrammile (joon. 3). Nii saadakse punktid A, B, C, D ja E, mis ühendatakse, nii et tavaliselt saadakse joon terava murdega kahanemispiiri piirkonnas. Murdepunktis S saadakse niiskus w, mis vastab kahanemispiirile W_S.
Kapillaarsuse määramine
Kapillaarse vee tõusu kõrguse määramise katse viiakse läbi kahel viisil, nimelt kapillaarse vee tõusu kõrguse otsese mõõtmise teel ja kaudse mõõtmise teel kapillaarimeetri abil.
Kapillaarse kõrguse määramise katse otsese mõõtmisega
Häiritud proovist võetakse umbes 300 ponderit pinnast, mis kuivatatakse temperatuuril 105°C, seejärel jahutamise järel jahvatatakse see täiesti peeneks pulbriks, ilma teri purustamata. Saadud pulber valatakse klaastorusse läbimõõduga ø 25 mm, pikkusega 1,5 - 2,5 m, mis on mõlemast otsast avatud ja mille alumine ots suletakse eelnevalt klaasvatiga või riidetükiga. Avatud ülemisse otsa kallame kuivatatud pulbrit umbes 10 cm kõrguseni, seejärel tõstame toru ja laseme sellel langeda löögiga vastu puitpõrandat või mõnda muud elastset alust seni, kuni torus on näha pulbri settimist. Pulbri settimist kontrollime torule rasvakriidiga tõmmatud märkjoontega. Seejärel kallame juurde veel 10 cm pulbrit ja kordame sama toimingut seni, kuni täidame toru tihendatud kuiva pinnaseproovi pulbriga, mille kapillaarsust uurime. Seejärel kastame toru põhja vooluta destilleeritud veega klaasanumasse, nii et toru alumine ots ei tohi anuma põhjal lebada (joon. 4). Kinnitame klaastoru liistu abil skaalale, nii et nii toru kui ka skaala oleksid vertikaalsed. Pärast seda jälgime vee tõusu torus, mis on värvuse järgi selgelt eristatav: kuiv proov on heledat värvi, niiske tumedat. Veetaseme vahe anumas ja niiske proovi ülemise serva vahel moodustab kapillaarse tõusu kõrguse hk.
Joon. 4. Kapillaarse vee tõusu kõrguse määramine otsese mõõtmise teel
Vaatlused tehakse reeglina pärast 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 jne tundi. Vaatlustulemused kantakse diagrammile, mille abstsissidel on aeg tundides ja ordinaatidel vee kapillaarse tõusu kõrgus mm-des (joon. 5).
Liivase materjali puhul on kapillaarne tõus alguses järsk, seejärel aeglasem ning lõplik tõstekõrgus saavutatakse kiiresti. Savise materjali puhul on kapillaarne tõus alguses aeglasem, kuid kestab kauem ja ulatub märksa suurema kõrguseni.
See kapillaarse kõrguse määramise viis on aeganõudev, eriti savise pinnase korral. Lisaks sõltub kapillaarse tõusu kõrgus õhutemperatuurist ning selle niiskusest, mistõttu tuleb neid tegureid hoida võimalikult püsivatena.
Sl. 5. Skeem vee kapillaarse tõusu kohta mullas, a-liiv; b-tolm; c-saviliivmuld
Kapillaarse kõrguse määramise katse kapillaarimeetri abil
On olemas mitut erineva konstruktsiooniga kapillaarimeetrit, näiteks Beskowi, Jürgensoni ja Engelhardti kapillaarimeetrid. Siin kirjeldame Beskowi kapillaarimeetri tööpõhimõtet, mida kasutatakse kõige enam.
Seda katset tehakse häirimata või häiritud proovidel. Kui proov on häiritud, siis viiakse see seadmesse voolavuspiiri seisundis.
Joon. 6. Beskovi kapillaarimeeter
Beskowi kapillaarimeeter koosneb kahest nõust (joon. 6), mis on alumistest osadest omavahel ühendatud tugevdatud kummivooliku abil. Nõusse 1 asetatakse mullaproov filtripõhjale, selle all aga on nõu, mis on osaliselt täidetud destilleeritud veega ja osaliselt elavhõbedaga, mis alumises osas on nii, et täidab ka kogu kummivooliku ja nõu 2 alumise osa. Katse alguses on elavhõbeda tase mõlemas nõus sama. Seejärel lastakse nõu 2 allapoole, millega tekib nõu 1 filtripõhja alla alarõhk. Kui see alarõhk muutub suuremaks kui proovi kapillaarjõud, tungib õhk läbi proovi filtripõhja ning elavhõbeda tase mõlemas nõus võrdsustub kohe pärast nõu 2 langetamist. Erinevus Hg elavhõbeda tasemete vahel ühes ja teises nõus alarõhu ja kapillaarjõudude võrdsustumise hetkel, s.o vahetult enne seda, kui õhk hakkas läbi proovi tungima, ümber arvestatuna veesamba kõrguseks ja suurendatuna proovi all oleva veesamba kõrgusega h, annab kapillaarse kõrguse hk. Kuna elavhõbe on 13,6 korda raskem kui vesi, siis on kapillaarse tõusu kõrgus hk:
hk = 13,6 Hg + h
Pinnase läbilaskvuse määramine
Laboratoorne katse pinnase läbilaskvuse määramiseks viiakse läbi spetsiaalsete seadmetega, mida nimetatakse permeameetriteks. Permeameetrite ehitusi on erinevaid, kuid need võib jagada kahte rühma: püsiva veesurvega permeameetrid, jämedateraliste pinnaste jaoks, ja langeva veesurvega permeameetrid peeneteraliste pinnaste jaoks. Mõlemal juhul tehakse katse puutumatute proovidega.
Laboratoorse katsega määratakse pinnase läbilaskvustegur, mille väärtust väljendatakse kindlal temperatuuril, kuna vee viskoossus on erinevatel temperatuuridel erinev, mis mõjutab läbilaskvusteguri k väärtust. Kõige sagedamini väljendatakse tegurit k temperatuuril t =10°C. Seega, kui 10°C, oli vee temperatuur teguri k määramisel T erinev temperatuurist t = 10°C, siis selle väärtus arvutatakse ümber valemi järgi:
k10oC = ηt /η10oC * kT
kus ηt ja η10oC on vee viskoossus töötemperatuuril T, vastavalt vastuvõetud temperatuuril t =10°C.
kT saadud pinnase läbilaskvusteguri väärtus töötemperatuuril T.
Viskoossuse väärtused erinevate temperatuuride T jaoks on toodud tabelis 1.
Katse püsiva veesurvega
Joon. 7. Püsiva veesurvega permeameeter
Selle katse jaoks võetakse häirimata pinnaseproov metallsilindrisse läbimõõduga D, kõrgusega h, teritatud alumise servaga, surudes selle pinnasesse või suuremasse häirimata proovisse. Pärast seda, kui proovi ülemine ja alumine pind tasandatakse silindri servadega, asetatakse proov silindris aparaati (sl. 7) ülemise ja alumise filtri vahele. Alumine filter koosneb tihedast sõelast ja filtrikivist, et võimaldada vee läbivoolu läbi proovi ja vältida pinnaseosakeste väljauhtumist. Ülemisel filtril sõela ei ole, kuna osakeste väljauhtumise võimalus on väiksem. Vee juurdevool proovi toimub tasemelt N, mida hoitakse ülevoolu abil püsivana, nii et hüdrostaatiline rõhk H on püsiv. Selle rõhu all läbib vesi paksusega h proovi ja jõuab toru abil, mis on ühendatud aparaadi ülemisse ossa, klaasist mõõtesilindrisse M, kuhu tilgub.
Niipea kui vesi hakkab läbi proovi mensuuri voolama, paneme stopperkella käima ja jälgime vee hulka q, mis voolab mensuuri aja t jooksul. Darcy seaduse järgi on
q = k*A*t*i
kus k on läbilaskvuse koefitsient cm/sec, A katsekeha ristlõike pindala, i hüdrauliline kalle, i = H/h.
Ülaltoodud võrrandist saame k= qh/Ath [cm/sec].
Proovi läbinud vee hulka loendame vaatluse algusest lõpuni üksikute ajavahemike kaupa, nii et meil on olemas nii üksik- kui ka kogu proovi läbinud vee kogus.
Et välistada õhumullid proovimaterjalis ja vees, mis võivad viia katsetulemuste vigadeni, on vajalik, et proov oleks enne katset küllastunud olekus ning et katse läbiviimiseks kasutataks keedetud või vähemalt seisnud vett.
Eespool kirjeldatud seadme asemel, mis põhineb hüdrostaatilisel rõhul vee tasemete erinevuse H tõttu, on olemas ka seadmed, kus hüdrostaatiline rõhk tekib õhurõhust 10 kuni 15 kp/cm2 ning mida hoitakse kompressori abil konstantsena.