SPRAWOZDANIE nr 2

Analiza granulometryczna gruntów.

Zastosowanie analizy pipetowej.

1. Wstęp.

Analizy granulometryczne wykonujemy dla gruntów nie skalistych w celu oszacowania wymiarów ich ziaren oraz cząstek, a następnie określenia procentowej zawartości poszczególnych frakcji uziarnienia w stosunku do ogólnego ciężaru tego gruntu. Dzięki temu możemy ustalić rodzaj i nazwę badanego gruntu, a następnie w zależności od potrzeb, charakteryzujące go parametry oraz jego „przydatność”.

Analiza pipetowa jest stosowana do określenia zawartości frakcji pyłowej i iłowej w badanym gruncie. Jest jedna z metod analiz granulometrycznych. Należy do analiz sedymentacyjnych, a więc polega na rozdzieleniu gruntu na poszczególne frakcje (przyporządkowaniu ilości ziaren o danych średnicach do poszczególnych frakcji) w zawiesinie wodnej, poprzez obserwacje zachodzącego procesu sedymentacji (opadania ziaren w zawiesinie wodnej). Analiza pipetowa oparta jest na prawie Stokesa, które określa zachowanie się ziaren kulistych w jednorodnej zawiesinie wody, a dokładniej prędkość ich swobodnego opadania na „dno” w wyniku działania przyciągania grawitacyjnego i występującej różnicy pomiędzy gęstością wody a gęstością charakterystyczna danego szkieletu gruntowego. Prędkość swobodnego opadania ziaren jest uzależniona od ich średnicy (ponieważ większość ziaren posiada kształt nieregularny, mówimy o średnicach zastępczych) i gęstości właściwej szkieletu gruntowego, a także gęstości właściwej i lepkości dynamicznej wody w danej temperaturze.

W analizie pipetowej po przekształceniu wzoru wynikającego z prawa Stokesa dotyczącego prędkości opadania cząstek, zwracamy uwagę na czas w jakim opadała cząstka oraz wysokość, czyli drogę jaką pokonała podczas opadania na „dno”.

2. Przeprowadzenie przyjętej metody badawczej.

Przed przystąpieniem do badania gruntu za pomocą metody analizy pipetowej, należy wpierw przeprowadzić badanie makroskopowe tego gruntu. Aby móc później porównać otrzymane wyniki za pomocą analizy z wstępnie zidentyfikowanym gruntem metodami makroskopowymi.

Następnie należy wyznaczyć czas w którym będą dokonywane pomiary. Ponieważ czas opadania cząstek jest uzależniony od wysokości z jakiej opadają cząstki, musimy wyznaczyć czas odpowiednio do drogi jaką będą pokonywać cząstki o coraz mniejszych średnicach. Dla cząstek o poszczególnych średnicach zastępczych d_mm, przyjmujemy odpowiednie wysokości h z których opadają:

1. d_mm = 0,1 mm ; h = 25 cm

2. d_mm = 0,05 mm ; h = 12,5 cm

3. d_mm = 0,01 mm ; h = 10 cm

4. d_mm = 0,005 mm ; h = 10 cm

5. d_mm = 0,001 mm ; h = 7 cm

Poczym przystępujemy do badania gruntu analizą pipetowa.

Przebieg badania:

1. Badania makroskopowe gruntu. Następnie z badanego gruntu pobieramy niewielką próbkę w celu ustalenia zawartości CaCO₃.

2. Pobieramy dwie próbki gruntów do naczynek wagowych w celu ustalenia wilgotności gruntu. Otrzymaną wilgotność gruntu przeliczamy na suchą masę, czyli ilość gruntu suchego, odnoszącego się do zawartości frakcji.

3. Do właściwej analizy odważamy próbkę o określonej masie dla danego rodzaju gruntu rozpoznanego w badaniu makroskopowym. Określona masa próbki dla:

• piasków gliniastych, glin piaszczystych: 50 - 100 g,

• glin, glin pylastych: 10 - 20 g

• iłów: 3 - 10 g

• Zważoną próbkę gruntu wkładamy do parowniczki, zalewamy wodą destylowaną i rozcieramy najczęściej palcem z gumową nakładką. Rozcierany grunt spłukuje się stopniowo do parownicy przez sito o oczkach rzędu 02 mm lub 0,25 mm. Spłukiwany przez sito grunt przemywamy wodą destylowaną aż do momentu, gdy przepływająca przez sito woda będzie zupełnie czysta. Staramy się wykorzystać stosunkowo mało wody, mniej niż 1litr. Najczęściej w początkowej fazie przepłukiwania wykorzystujemy wodę, która spłynęła do parownicy pod sitem. W ten sposób uzyskujemy dodatkowy czas na osiadanie cząstek gruntu w naczyniu. Po zakończeniu przepłukiwania pozostałe na sicie cząstki spłukujemy do oddzielnej parowniczki i suszymy do stałej masy. Jeżeli otrzymana pozostałość przekracza 10% całej suchej masy próbki gruntu użytego do badania, to wykonujemy analizę sitową.

• Przygotowaną zawiesinę wlewamy do kolby Erlenmayera i dodajemy połowę ilości stabilizatora, najczęściej 5 cm³ pirofosforanu sodu. Dzięki temu zabiegowi zapobiegamy łączeniu się cząstek w mikroagregaty.

• Zawiesinę ze stabilizatorem gotuje się na małym płomieniu przez pół godziny od chwili zagotowania (w celu dokładnego rozdzielenia ziaren i usunięcia powietrza).

• Studzimy zawiesinę do temperatury 20°C i zlewamy do cylindra o pojemności 1 dm³ poczym uzupełniamy go wodą destylowaną do objętości 1 dm³ oraz dodajemy drugą połowę stabilizatora (5 cm³ pirofosforanu sodowego).

• Przed rozpoczęciem analizy należy dokładnie wymieszać zawartość cylindra, najpierw mieszadełkiem, a następnie poprzez zakrycie dłonią lub specjalnym krążkiem otworu cylindra, powinniśmy tak długo odwracać do góry dnem cylinder, aż całość cząstek osadu oderwie się od dna.

• Cylinder z dokładnie wymieszaną zawiesiną ustawiamy na stole i uruchamiamy stoper. Moment ten uważa się za rozpoczęcie analizy pipetowej. W czasie jej trwania cylinder powinien znajdować się w miejscu odpornym na „wstrząsy” i „ruch”, czyli zmianę położenia a także zmianę wartości temperatury otoczenia.

• Po upływie odpowiedniego czasu obliczonego dla interesującego Nas wymiaru cząsteczek (określonej średnicy zastępczej d_mm), pobieramy bezpośrednio pipetą zazwyczaj 10 cm³ zawiesiny z określonej głębokości. W ten sposób otrzymujmy w pipecie cząstki o mniejszej średnicy od średnicy zastępczej d_mm w ilości równej zawartości tych cząstek w 10 cm³ zawiesiny na początku badania.

• Pobraną pipetą próbkę zawiesiny wylewamy, przepłukując starannie pipetę wodą destylowaną, do uprzedniego zważonej parowniczki o masie m_t. Odparowujemy wodę i osad osuszamy w temperaturze 105˚C do stałej masy i po ostudzeniu w eksykatorze ważymy masę parowniczki z wysuszonym gruntem m_st.

• Odejmując od masy parowniczki z gruntem m_st, masę pustej parowniczki m_t i ewentualną zawartość ponownie skrystalizowanego stabilizatora (np. pirofosforanu sodu w ilości 0,0025g) otrzymujemy masę cząstek o średnicy mniejszej od danych średnic zastępczych d_mm zawartych w objętości 10 cm³ jest to masa m_sd.

• Powyższe czynności powtarzamy kilkakrotnie (tyle razy, ile średnic chcemy zbadać), w odpowiednich odstępach czasu.

3. Otrzymane wyniki.

1. Czas pobierania próby t dla poszczególnych średnic zastępczych d_mm.

Stosujemy przekształcony wzór Stokesa, dla którego przyjmiemy poszczególne wartości parametrów:


gdzie:

t - czas opadania poszczególnej cząstki [s]

d_mm - średnica zastępcza cząstki [mm]

h - droga cząstki

T - temperatura [°C]

T= 20°C

η - lepkość dynamiczna wody [P= 10^-1 Pa⋅s]

η = 1,004 ⋅ 10^-3 [Pa⋅s] = 1,004 ⋅ 10^-3 [
] = 1,004 ⋅ 10^-2 [
]

ρ_s - gęstość właściwa szkieletu gruntowego [
]

ρ_s = 2,73 [
]

ρ_w - gęstość właściwa wody [
]

ρ_w = 1,00 [
]

g - przyśpieszenie ziemskie [
]

g = 9,80665 [
] = 980,665 [
]

I tak dla: a) d_mm = 0,1 mm = 0,01 cm ; h = 25 cm





b) d_mm = 0,05 mm = 0,005 cm ; h = 12,5 cm




c) d_mm = 0,01 mm = 0,001 cm; h = 10 cm




d) d_mm = 0,005 mm = 0,0005 cm ; h = 10 cm




1. d_mm = 0,001 mm = 0,0001 cm ; h = 7 cm




2. Masa gruntu suchego m_s.


, gdzie:

m_S - masa gruntu suchego [g]

m_n - masa gruntu wilgotnego [g]

m_n = 14,6 [g]

w - wilgotność gruntu [%]

w = 13,59 % = 0,1359




3. Masa gruntu w poszczególnej parowniczce m_sd.


, gdzie:

m_sd - masa gruntu [g]

m_st - masa parowniczki z gruntem [g]

m_t - masa parowniczki [g]

Wartość masy gruntu m_sd z poszczególnych parowniczek:

W parowniczce nr.:

• I. m_sd = 20,32 - 21,20 = 0,12 [g]

• II. m_sd = 21,27 - 21,20 = 0,07 [g]

• III. m_sd = 20,45 - 20,40 = 0,05 [g]

• IV. m_sd = 21,74 - 21,70 = 0,04 [g]

• V. m_sd = 20,52 - 20,49 = 0,03 [g]

4. Procentowa zawartość frakcji o ziarnach mniejszych od danej średnicy zastępczej d_mm.


, gdzie:

X% - zawartość frakcji [%]

m_sd - masa gruntu [g]

m_S - masa gruntu suchego [g]

Procentowa zawartość frakcji mniejszych od danej średnicy zastępczej d_mm :

W parowniczce nr.:

• I. dla d_mm = 0,1 mm;




• II. dla d_mm = 0,05 mm;




• III. dla d_mm = 0,01 mm;




• IV. dla d_mm = 0,005 mm;




• V. dla d_mm = 0,001 mm;




5. Zawartość procentowa masy pozostałej na sicie.

Obliczamy za pomocą proporcji:

m_s - 100%

m_poz - Y%

------------------------ , gdzie:




m_S - masa gruntu suchego [g]

m_S = 14,58 [g]

m_poz - masa pozostałości na sicie [g]

m_poz = 0,26 [g]




VI. Zawartość procentowa odczytanego składu uziarnienia:

Frakcja kamienista, o zakresie średnic zastępczych d_mm > 40 mm; f_k = 0%

Frakcja żwirowa o zakresie średnic zastępczych 40 ≥ d_mm> 2 mm; f_ż = 0 %

Frakcja piaskowa o zakresie średnic zastępczych 2 ≥ d_mm> 0,05 mm; f_p = 61 %

Frakcja pylasta o zakresie średnic zastępczych 0,05 ≥ d_mm> 0,002 mm; f_π = 29 %

Frakcja iłowa o zakresie średnic zastępczych 0,002 ≥ d_{mm ;} f_i = 10 %

Badany przez Nas grunt nie zawiera w ogóle frakcji kamienistej, tzn., że wszystkie ziarna tworzące grunt posiadają średnice mniejsze niż 41 mm. Oznacza to, że badany grunt należy do gruntów drobnoziarnistych. Ponadto nie posiada on frakcji żwirowej, czyli ziaren o średnicach powyżej 2 mm. A więc należy do gruntów spoistych. Biorąc pod uwagę procentowe zawartości pozostałych frakcji: f_p = 61 %, f_π = 29 %, f_i = 10 %, możemy zauważyć, że otrzymane wartości mieszczą się w przedziałach uziarnienia: f_p >50%, f_π <30%, f_i =10-20%, charakterystycznych dla gliny piaszczystej - Gp.

4. Wnioski.

Na podstawie przeprowadzonego badania makroskopowego, określono, iż badanym gruntem jest glina piaszczysta. Badanie granulometryczne metodą pipetowa wykazało, iż rzeczywiście jest to glina piaszczysta. Aby jednak nie pozostawać zbyt optymistycznymi, powinniśmy pamiętać, że zarówno podczas badania makroskopowego jak i granulometrycznego mogło dojść do popełnienia błędów, które wpłynęły na ostateczną interpretacje wyników, doprowadzając do pokrywającego się zidentyfikowania gruntu.

Metoda granulometryczna przeprowadzona w formie analizy pipetowej wymaga dużej dokładności oraz staranności przy jej wykonywaniu. Najmniejszy błąd może spowodować otrzymanie dużych wartości odchylenia wyniku od rzeczywistej wartości poszukiwanego parametru. Powinniśmy pamiętać żeby koniecznie przed rozpoczęciem analizy pipetowej wyeliminować różnice temperatur, a więc cylinder z zawiesiną gruntu poddawaną badaniu umieścić w pomieszczeniu o stałej, przyjętej przez Nas temperaturze (w tym przypadku, w temperaturze 20˚C). Ponadto w miejscu łatwo dla Nas dostępnym i odpornym na wstrząsy, czyli ruch mogący spowodować zmianę położenia cylindra, a co za tym idzie wpłynąć na swobodne opadanie cząsteczek gruntu na dno. Ostrożność przed popełnieniem błędu powinniśmy zachować również podczas rozcierania gruntu, a także przy przelewaniu zawiesiny do cylindra, gdyż każdy ubytek cząstek gruntu (nawet w formie zawiesiny) może znacząco wpłynąć na wynik analizy. Podobny efekt będzie gdy nie zachowamy ostrożności i dokładności przy gotowaniu zawiesiny oraz przy jej mieszaniu w cylindrze (gdy mieszamy zbyt słabo lub zbyt energiczne). Do popełnienia błędu może dojść podczas wykonywania wykresu uziarnienia na podstawie otrzymanych wyników, a także w trakcie odczytywania z niego procentowych zawartości ziaren o określonych średnicach dla poszczególnych frakcji. Co w konsekwencji prowadzi do omylnej identyfikacji gruntu.

Radosław Worobiej

II r. Geologii, grupa 5

- 1 -

---