L-istruttura tal-ħamrija
Permezz tal-istruttura tal-ħamrija nifhmu t-tqassim tal-fażi solida fil-massa terġa. Kif inhu magħruf, il-ħamrija tikkonsisti f’partiċelli solidi u pori mimlijin bl-ilma, bl-arja jew bil-fwar tal-ilma, l-aktar spiss parzjalment bl-arja u parzjalment bl-ilma. Skont it-tqassim tal-partiċelli solidi fil-ħamrija tiġi determinata l-istruttura tagħha. L-istrutturi tal-ħamrija maħlula u dik marbuta jvarjaw bejniethom b’mod sostanzjali.
Struttura tal-ħamrija maħlula
L-istruttura tal-ħamrija mhux marbuta ssir taħt l-effett tal-gravità. Il-partiċelli solidi ta’ din il-ħamrija huma ikbar u jaqgħu ’l isfel, jiddepożitaw ruħhom taħt l-effett tal-gravità, filwaqt li l-forzi ta’ attrazzjoni intermolekulari ta’ dawn il-partiċelli ma jeżistux jew huma żgħar ħafna u megħluba mill-gravità. Għalhekk, fil-ħamrija mhux marbuta l-partiċelli solidi jitqiegħdu wieħed ħdejn l-ieħor, u jieħdu l-ispazju vojt bejn il-partiċelli magħquda (fig. 1_a_). Jekk il-partiċelli tal-ħamrija mhux marbuta jkunu bejn wieħed u ieħor tondi u tal-istess daqs, kif jista’ jkun il-każ ta’ ramel ta’ kompożizzjoni uniformi, allura l-istruttura tista’ tkun l-aktar densa (fig. 1_b_) jew l-aktar rari (fig. 1_c_), skont il-qagħda tal-partiċelli solidi fil-ħamrija. L-aktar struttura densa tikkorrispondi għall-akbar possibbiltà ta’ kompattazzjoni tal-ħamrija mhux marbuta u l-porożità tagħha hija nmin=26%. L-aktar struttura rari tikkorrispondi għall-iżgħar kompattazzjoni possibbli tal-ħamrija mhux marbuta u l-porożità tagħha hija nmax=48%. Għalhekk, pereżempju, ramel maħlul tad-duni għandu n=47%.
Fig. 1 Struttura ta’ ħamrija mhux marbuta
Jekk il-ħamrija mhux marbuta għandha grana ta’ daqsijiet differenti, hekk li l-partiċelli iżgħar jimlew il-vojt bejn dawk akbar (fig. 2), il-porosità tal-ħamrija tkun ferm iżgħar (n=20% u inqas).
Sl. 2. Struttura ta’ ħamrija mhux marbuta b’daqsijiet differenti tal-qamħ
Struttura tal-ħamrija magħquda
Fil-ħamrija marbuta l-istruttura hija differenti minn dik mhux marbuta. Fil-ħamrija marbuta jidhru forzi ta’ koeżjoni, li huma aktar b’saħħithom mill-forza ta’ gravità tal-partiċelli żgħar u jwaħħluhom flimkien fuq l-uċuħ ta’ kuntatt. Għalhekk dawn il-partiċelli ma jaqgħux ’l isfel waħda wara l-oħra, iżda jibqgħu mwaħħlin waħda mal-oħra u waħda ħdejn l-oħra (fig. 3_a_), u b’hekk jiffurmaw struttura bħal katina u xibka (fig. 3_b_), bħal qxur/flake (fig. 3_c_) eċċ., li jissejħu strutturi ta’ ordni ogħla. Strutturi bħal dawn għandhom porożità kbira, li tista’ tasal sa 60-80% tal-massa totali, li ma jistax ikun fil-ħamrija mhux marbuta.
Fig. 3. Struttura tal-ħamrija marbuta
Porożità u koeffiċjent tal-porożità
Il-porożità tal-ħamrija tiġi ddefinita bir-relazzjoni bejn il-volum tal-pori u l-volum totali tal-ħamrija (fig. 4).
Fig. 4. Porosità u koeffiċjent tal-porosità tal-ħamrija
Jekk indikalna b’
- Vp = il-volum tal-pori fil-ħamrija
- Vm = volum ta’ partiċelli solidi
- V = il-volum totali tal-ħamrija,
il-porożità tal-ħamrija n hija, skont id-definizzjoni
n = VP / V = VP / (VP + Vm),
jiġifieri f’% tal-volum totali tal-ħamrija
n = 100 * VP / (VP + Vm) %.
Il-koeffiċjent tal-porożità tal-ħamrija jiġi definit bħala r-relazzjoni bejn il-volum tal-pori u l-volum tal-partiċelli solidi:
e = VP / Vm.
Mill-formula għall-porożità n għandna:
nVP + nVm = VP, minn fejn Vm = VP(1-n) / n.
Billi nissostitwixxu din il-valur fil-formula għall-e niksbu
e = n / (1-n).
Minn din l-ekwazzjoni niksbu
e - ne = n; n = e / (1 + e).
Il-koeffiċjent tal-porożità juri d-densità tal-ħamrija. Jekk il-koeffiċjent e ikun ikbar, id-densità tal-ħamrija tkun inqas u bil-maqlub. Jekk xi ħamrija kompressibbli, taħt tagħbija, tinżel, permezz tal-koeffiċjent tal-porożità qabel u wara n-niżla jista’ jiġi determinat il-kobor tan-niżla Δ_h_.
Ejja nikkunsidraw saff ta’ ħamrija kompressibbli bi ħxuna h (fig. 5_a_). Jekk dan is-saff jitgħabba, dan jinżel b’għoli Δ_h_, u għalhekk il-ħxuna tiegħu taħt it-tagħbija tonqos għal h1. Għaldaqstant
Δ_h_ = h – h1.
Peress li s-sedimentazzjoni tal-ħamrija kompressibbli sseħħ għad-detriment tal-pori, għax il-partiċelli solidi huma prattikament mhux kompressibbli, u wkoll l-ilma, jekk il-pori tal-ħamrija jkunu mimlijin bih parzjalment jew kompletament, din is-sedimentazzjoni tista’ tiġi rappreżentata skematikament f’fig. 5_b_.
Fig. 5. Sokkor Δh ta’ saff kompressibbli tal-ħamrija b’ħxuna h taħt tagħbija
Jekk inqisu bħala h0 l-għoli immaġinarju tas-saff ta’ partiċelli solidi mingħajr pori, imsejjaħ għoli mnaqqas, allura nistgħu nesprimu s-sedimentazzjoni Δ_h_ fir-rigward tal-għoli mnaqqas h0 bir-relazzjoni:
Jekk inqisu saff ta’ ħamrija b’wisa’ u tul ugwali għal unità, allura l-għoli h, h1 u h0 jirrappreżentaw il-volumi, u għalhekk
fejn e huwa l-koeffiċjent tal-porożità qabel, e1 wara s-sedimentazzjoni. Mill-kalkolu ta’ qabel tinkiseb is-sedimentazzjoni
Δ_h_ = h0 (e-e1).
Is-sedimentazzjoni tista’ tiġi espressa b’rabta mal-għoli tas-saff h qabel is-sedimentazzjoni jekk nissostitwixxu l-valur tal-għoli mnaqqas h0:
h0 = h – nh = h (1-n) = h / (1+e),
għaliex n = VP / V = VP / h_,_ minn fejn VP = nh.
Għaldaqstant tinkiseb
Certi tipi ta’ ħamrija għandhom il-valuri medji li ġejjin tal-porożità n u tal-koeffiċjent tal-porożità e:
L-umdità tal-ħamrija
Tipi ta’ ilma fil-ħamrija
L-ilma fil-ħamrija jidher fil-forma ta’ ilma fil-pori bejn il-partiċelli solidi, l-hekk imsejjaħ ilma poruż, imbagħad bħala ilma adsorbit fuq il-partiċelli solidi u bħala ilma kostituttiv.
L-ilma tal-pori jikkonsisti f’ilma ħieles bejn il-partiċelli solidi, li l-moviment tiegħu jsir skont il-liġi ta’ Darcy, imbagħad f’ilma gravitazzjonali, li jiċċaqlaq taħt l-azzjoni tal-gravità minn fuq għal isfel f’direzzjonijiet kollha, iżda l-moviment tiegħu ma jsirx skont il-liġi ta’ Darcy, f’ilma kapillari li jiċċaqlaq taħt l-azzjoni tal-forzi kapillari u f’ilma tat-tensjoni tal-wiċċ, li jinżamm bit-tensjoni tal-wiċċ fil-kantunieri bejn il-partiċelli solidi tal-ħamrija u jissejjaħ ukoll ilma angolari tal-pori. Dan l-ilma kollu jista’ jitneħħa kompletament billi l-ħamrija titnixxef f’temperatura ta’ 110oC.
L-ilma adsorbit huwa dak li jgħatti l-partiċelli solidi, li magħhom huwa marbut permezz ta’ forzi molekulari. Dan huwa l-hekk imsejjaħ film tal-ilma, li l-ħxuna tiegħu tvarja 6-80 µµ (1µµ=10-6 mm, milimikron). L-effett tal-ilma adsorbit fuq partiċelli akbar huwa negliġibbli, iżda iktar ma jkunu żgħar il-partiċelli, iktar ikun kbir l-effett tiegħu, għax tiżdied il-wiċċ ġenerali tal-partiċelli u b’hekk ukoll il-proporzjon tal-ilma adsorbit mal-partiċelli solidi f’unità ta’ volum tal-ħamrija. Dan l-ilma jista’ jitneħħa biss parzjalment bit-tnixxif fuq 110oC.
L-ilma kostituttiv huwa magħqud kimikament fil-kristalli tal-minerali tal-partiċelli solidi tal-ħamrija. Minn dan l-ilma hemm ftit ħafna u ma jistax jitneħħa bit-tnixxif tal-ħamrija. Għalhekk dan l-ilma jista’ jitqies bħala parti kostitwenti tal-partiċella solida.
Il-kwantità ta’ ilma fl-art
Skont id-definizzjoni, il-kontenut tal-ilma fil-ħamrija jew l-umdità tal-ħamrija huwa r-relazzjoni bejn il-piż tal-ilma li jinsab fil-ħamrija u l-piż tas-sustanzi solidi tagħha. Skont l-ammont ta’ ilma fil-ħamrija, jiġu distinti tliet każijiet: ħamrija kompletament saturata bl-ilma, ħamrija parzjalment saturata bl-ilma u ħamrija kompletament niexfa.
Art kompletament saturat bl-ilma
Jekk nindikaw b’n l-porożità tal-ħamrija, b’γs l-piż volumetriku tal-partiċelli kollha, u b’γw l-piż volumetriku tal-ilma, allura l-umdità tal-ħamrija saturata wZ tista’ tiġi espressa bl-ekwazzjoni li ġejja
Il-ħamrija parzjalment saturata bl-ilma
Jekk nindikaw b’Ww il-piż tal-ilma kontenut fil-ħamrija, u b’Wd l-piż tal-partiċelli solidi, jiġifieri l-piż niexef tal-ħamrija, allura l-umdità tal-ħamrija w
w = Ww / Wd , jiġifieri f’perċentwali tal-piż niexef tal-ħamrija: w = 100 Ww / Wd.
F’dan il-każ, l-umdità tal-ħamrija tista’ tiġi espressa permezz tal-grad ta’ umdità Sr li jirrappreżenta r-relazzjoni bejn il-piż reali tal-ilma fil-ħamrija u dak il-piż tal-ilma fl-istess ħamrija li jkun jeżisti kieku l-pori kollha kienu mimlija bl-ilma, jiġifieri, mal-piż tal-ilma tal-ħamrija saturata:
resp. għal _γ_w = 1,00 Sr = w*γs / e.
Il-valuri ta’ limitu għall-grad ta’ umdità huma:
- għal ħamrija kompletament niexfa w = 0; Sr = 0
- għal ħamrija kompletament saturata w = e/γs; Sr = e/γs * γs / e = 1,0.
Fig. 6. Kampjun tal-ħamrija parzjalment saturat bl-ilma
Il-grad ta’ saturazzjoni (li xi drabi jissejjaħ ukoll saturazzjoni jew grad ta’ umdità) jiġi espress ukoll bħala r-relazzjoni bejn il-volum tal-pori mimlija bl-ilma u l-volum totali tal-pori (fig. 6):
Sr = V2 / V1
fejn V2 huwa l-volum tal-pori mimlijin bl-ilma, V1 il-volum totali tal-pori mimlijin bl-ilma, bl-arja u bil-gassijiet. Jekk w hija l-umdità tal-ħamrija f’% tal-piż niexef tal-ħamrija Wd, allura għandna
V2 * γW = w Wd, minn fejn V2 = w Wd / γw.
Min-naħa l-oħra, għandna li V1 = V – Vd, u peress li Vd * γs = Wd, allura
Vd = Wd / γs u V1 = V – Wd / γs.
Għaldaqstant, il-grad ta’ saturazzjoni tal-ħamrija Sr se jkun
jiġifieri f’perċentwali tal-piż niexef tal-ħamrija
Il-ħamrija kompletament niexfa
F’dan il-każ w = 0. L-ilma kollu fil-pori ġie mneħħi, filwaqt li l-ilma adsorbit ġie mneħħi biss parzjalment, jiġifieri l-film tal-ilma għadu jeżisti, iżda l-ħxuna tiegħu naqqset.