Új eljárás finomszemcsés laza képződmények szemcseeloszlásának meghatározására az ASTA mérőeszközzel 1 Bevezetés

Átírás

1 Új eljárás fnomszemcsés laza képződmények szemcseeloszlásának meghatározására az ASTA mérőeszközzel Kovács Balázs 1 Tolner László 2 Cznkota György 2 Szacsur Gábor 3 Czank Péter 4 1 GÁMA-GEO Kft, 3519 Mskolc, Bencések útja Elemez Kft. Budapest, Falk Mksa u. 3 Mskolc Egyetem, Hdrogeológa-Mérnökgeológa Tsz., 3515 Mskolc-Egyetemváros 4 Szent István Egyetem, Talajtan és Agrokéma Tsz, 2100 Gödöllő, Páter K. u Bevezetés A földtan képződmények, mezőgazdaság talajok egyk legjellemzőbb paramétere a szemcseméret eloszlás. A mezőgazdaság talajok fzka, kéma, vízgazdálkodás, végső soron a tápanyag-gazdálkodás tulajdonsága jelentős mértékben függnek az szap és agyagméretű frakcó szemcseméret eloszlásától A geotechnkában a szemcseeloszlás meghatározására 0,1 mm felett részecskeméret esetén a kőzet száraz vagy nedves sztálását alkalmazzák, míg a képződmény vselkedését alapvetően meghatározó fnom frakcó szemcseeloszlás görbéjének felvételére a nagy munkaerő-gényes és közepes mérés pontosságú hdrometrálás (areometrálás), lletve a Köhn-ppettás módszer terjedt el. A továbbakban a fnom frakcó szemcse-eloszlása meghatározásának problémával foglalkozunk. A hdrometrálás során főképpen az első két órában sznte folyamatosan észleléseket kell végezn, ennek következtében a mérés a laboránst gyakorlatlag teljesen lefoglalja. Gáspár (1957) készített egy olyan dőbeosztást, mellyel 1 fő összesen 10 db mnta mérését végezhet el. Problémát jelent, hogy több mérés esetén a leolvasások dőpontja éjszakára s eshet, tekntettel az akár 2 napg s elhúzódó mérésekre. Alapvető probléma a szemcseeloszlás maghatározásánál, hogy bár sok szakterület (mezőgazdaság, talajtan, hdrogeológa, geotechnka, stb.) használja a szemcseeloszlást a laza kőzetek jellemzésére, mégs egymástól eltérő szemcseméret-határokat (szemcseméret ntervallumokat) használnak a képződmények elkülönítésére. Az 1. ábra néhány országban a talajtanban alkalmazott szemcseméret határokat mutatja be. Mnd a talajtanban, mnd a geotechnkában szokás a szemcseeloszlás görbe alapján tovább talajfzka jellemzőket becsüln, pl. szvárgás tényező meghatározása Zamarn-módszerrel, egyenlőtlenség együttható meghatározása, a talajtanban pedotranszfer-függvényekkel talajok vízgazdálkodás jellemzőnek számítása. Ezeket a számításokat a szemcseeloszlás görbe 2 vagy több pontja alapján határozzuk meg és általánosságban gaz, hogy a pontok darabszámának növelésével a számítás pontossága s egy határg növelhető.

2 Belgum Dána Francaország Németország Görögország Olaszország Hollanda Portugála Szlováka Spanyolország Svédország Angla és Wales Észak-Irország Skóca Ausztrála USA MSZ 14043/2-79 agyag szap homoklszt fnom közepes durva homok Szemcseméret [µm] 1. ábra: A mezőgazdaság talajosztályozáshoz használt szemcseméret határok a vlág néhány országában, lletve a talajmechankában szabványos talajosztályozás összehasonlítása A felsoroltak matt célszerűnek látszott egy olyan berendezésnek a kfejlesztése, amellyel a mérés automatzálható, tetszőleges számú mnta tetszőleges gyakorsággal történő mérése végezhető egyben, a méréssel párhuzamosan a teljes mérés dokumentácó elkészíthető, és amely alkalmas származtatott mennységek meghatározására a szemcseeloszlás görbe alapján. A szemcseeloszlás meghatározására a méréstechnkában már számos új módszert dolgoztak k. A talajtan területén legalapvetőbb és legszélesebb körben alkalmazott megoldásokat Gee and Bauder (1986) foglalták össze, de számos alternatív módszer s smeretes a nemzetköz szakrodalomban (pl. Stuyt (1992); Olvera et al. (1997) és Starr et al. (2000)). Flep és Ferencz (1999) áttekntést ad a leggyakrabban alkalmazott szemcseméret eloszlás rendszerekről a talajtan kutatásokban. A geotechnka gyakorlatban alkalmazott

3 szemcseeloszlás vzsgálatokat (hagyományos és Pappfalv-féle areométer, Köhn-ppettás vzsgálat) Kézd (1964) foglalta össze, ugyanakkor az MSZ 18288/2-84 szabványban az Atterberg-féle szapolás, az Andreasen-ppettás, szedmentácós mérleges, továbbá a szívócsöves meghatározás s szerepel, mely módszereket a ma napg alkalmazzák. A talajok talajmechanka szempontból történő megnevezését szemcseméret alapján az MSZ 14043/2-79 szabvány, a szemcseméret-eloszlás meghatározás szabályozását az MSZ 14043/3-79 MSZ 18288/2-84 és szabványok foglalják össze. A korábban említett egyéb, pl. lézeres és röntgensugárral történő szemcseméret eloszlásmeghatározás problémája, hogy ezekkel a drága műszerekkel csak 1-1 mnta vzsgálata végezhető egydejűleg, továbbá gen nagy hátránya, hogy a mérés alapelve eltér a szabványosított ülepedéses vzsgálatoktól. Amennyben a mérés alapelve eltérő, akkor a két elven mért eredmények összevethetősége gen korlátozott, gyakorlatlag nem megoldható. Mvel a gyakorlatban a fnom szemcsefrakcó szemcseméret-eloszlásának szabványos mérése a korábbakban ülepedéses elven alapult, ezért a komparatív, új megoldásnak s ülepítéses vzsgálatnak kell lenne. A felsorolt megfontolások vezettek a számítógép vezérelt ASTA berendezés kfejlesztéséhez, mely jelenleg a prototípus előkészület fázsban van és mellyel a korább mérések tovább a gyakorlatban jelentős hátránya (pl. az üvegeszközök pl. Pappfalv-féle areométer) törékenysége) s kküszöbölhetők. 2 Az alkalmazott mérés alapelve A talajtan gyakorlatban rtkábban, azonban a geológa vzsgálatok során széleskörűen elterjedt szemcseméret eloszlás vzsgálat módszer a hdrométeres eljárás. Ebben az esetben egy úszót (areométer) helyezünk a megfelelően előkészített talajszuszpenzóba, melynek bemerülése a szuszpenzó átlagos sűrűségétől függ. A szuszpenzó sűrűségét a folyadékfázs és a benne található lebegő anyag tömegösszegének teljes térfogattal képzett hányadosaként számítjuk. A szuszpenzó aktuáls sűrűségét az ülepedés során egy mélységtartományban mérjük, ha az ülepedő szlárd szemcsék a mért tartományt a mérés során elhagyják (külepednek), a vzsgált térrészben a sűrűség csökken, ezáltal az ülepedés sebessége egyszerű sűrűség méréssel követhetővé válk. A hdrométeres módszernek gen nagy előnye, hogy a talajtanban leggyakrabban alkalmazott ppettás eljárással azonos fzka elv alapján mér a szemcseméretet (Stokes-törvény) csak a detektálás módjában tér el a két megoldás egymástól. Mvel a hdrométeres eljárás esetében nncs mntavétel, csupán az úszó (areométer) szntjét kell leolvasn, nncs elv akadálya a

4 tetszőleges sűrűségű mntavételnek, mely lehetővé tesz, hogy ne csak egyes előre meghatározott szemcseméret frakcók esetében szerezzünk adatokat az ülepedés előrehaladtáról, hanem gyakorlatlag folyamatosan, lletve tetszőleges sűrűségben olvassuk le a szuszpenzó sűrűségét. A leolvasás sűrűsége ennél a módszernél tulajdonképpen a felhasználástól függ, vagys akár különböző fnomságú görbék s kaphatók az alkalmazás gényeknek megfelelően. A klasszkus hdrométeres eljárás esetében az areométer elvékonyított szárán levő beosztás adott dőszakokban történő leolvasásával határozzuk meg az egyes frakcókhoz tartozó sűrűség, és ezen keresztül a nem külepedett ( lebegő ) anyag mennység értékeket. A Pappfalv-féle areométer annyban egyszerűsít a mérést, hogy az eszköz leolvasásával azonnal a lebegő szemcsék tömegét kapjuk meg, 100 g bemért anyag, 20 C hőmérséklet és 2680 kg/m 3 átlagos szemcsesűrűség esetén. Mvel a mérést kezdetben sűrű dőközönként kell elvégezn, továbbá az üvegeszközön jelentős a menszkusz okozta hba, a hosszú mérés alatt jellemző a hőmérséklet változása, ezért a fáradtságos mérést számos hba terhel, melyek egy részét gen nehéz korrgáln. Az areométer szntjének érzékelése a technka jelenleg szntjén, könnyen automatzálható. Megfelelő érzékenységű, számítógéppel összekötött dgtáls mérleggel bármkor megoldható a felhajtóerő változás érzékelése és a számítógép merevlemezén történő tárolása, melyből az úszó (hdrométer) bemerülés szntje azonnal számítható (2. ábra). Precízós mérleg G Areométer (Úszó) l Számítógép Szuszpenzó 2. ábra A mérés egy lehetséges megoldása (Nemes et. al. 2002)

5 Ez a megoldás a módszer laboratórum kpróbálására, a módszer fejlesztésére kválóan alkalmas, azonban a nagy pontosságú mérlegek borsos ára és kényessége matt nagyszámú mnta vzsgálatára alkalmatlan. Egy 10 mérőhelyes berendezés több mlló forntos költséget jelentene, am a megoldást teljesen gazdaságtalanná tesz, ezért nem s terjedt el a gyakorlatban. Annak érdekében, hogy a kfejlesztett módszer a lehető legnagyobb mértékben kompatbls legyen az eddg vzsgálat eljárásokkal, az azonos fzka elv korlátat s magával kell hordozna, vagys a lassú ülepedés matt egy mérés deje fzka törvények által meghatározott, melyen változtatn csak a gravtácós tér vagy az ülepítő erő növelésével lehetne, amely elvleg ugyan nem kzárt (pl. centrfuga alkalmazása), de jelentős költségekkel jár. 3 Az úszó henger súlynövekedésének számítása ülepedő részecskék hatására A részecskék ülepedés sebessége a Stokes-törvény alapján egyértelműen számítható a részecskeméretből és egyéb a rendszerre jellemző állandókból, így elég, ha rendszerünkben a sebesség-koncentrácó függvényt számítjuk k. Ennek érdekében a következő számítás lépéseket kell elvégezn. Egy homogén részecskeméretű és ezzel adott sebességű és koncentrácójú, homogén szuszpenzó sűrűség változása az dő függvényében. A szuszpenzó tömege a vzes oldat és a szuszpendált anyag tömegének összege: m = m + c, w m p ahol m m w m p c a szuszpenzó tömege, kg; a vzes oldat tömege, kg; a részecske tömege, kg; a részecske koncentrácója, kg/kg. Adott térfogat esetén a szuszpenzó sűrűsége: ( ρ ) ρ = ρ, w + c p ρw ahol ρ a szuszpenzó sűrűsége, kg.m -3 ; m w a vzes oldat sűrűsége, kg.m -3 ; m p a részecske sűrűsége, kg.m -3.

6 G Úszó henger l Talajszuszpenzó A, keresztmetszet 3. ábra A jelölések értelmezése Az ülepedés egyenletes, tehát egy adott szuszpenzó oszlop átlagsűrűsége egyenletesen csökken az dő multával: ( ρ ρ ) c ( l v t) ρw + p w ρ =, l ahol l az oszlop magassága, m (3. ábra); v az ülepedés sebessége, m.sec -1 ; t az eltelt dő, sec. Ez a folyamat mndaddg tart, míg az összes részecske el nem hagyja a vzsgált mélységet, utána beáll az eredet oldatsűrűség, amely ez után már nem változk, tehát ezen a ponton az eddg egyenletesen csökkenő függvény egy vízszntes egyenessel leírhatóvá válk. Ebből következk, hogy a fent függvény nem használható a teljes dőtartományra. A kterjesztés érdekében módosítan kell a következő formában: ( ρ ρ ) c abs( l v t) + ( l v t) [ ] ρw + p w ρ =, 2 l

7 mely függvény már a teljes dőtartományban helyesen írja le a folyamatot. Mvel a célunk a heterodszperz szuszpenzók leírásának megadása, ezért a továbbakban ezt a függvény-alakot kell használnunk, mvel a részecskék egy része a folyamat során már külepedett, mközben a lassabban ülepedő részecskék még sűrűség változást okozhatnak. A fent leírt képlet segítségével leírhatjuk egy, a szuszpenzóba teljesen bemerülő hengeres testre ható erőket meghatározó részfolyamatokat. 1. Ráülepedés: A henger súlyának növekedését tulajdonképpen a fokozatosan a hengerre ülepedő részecskék súlya okozza: G = ahol 1 2 g A ( ρ ρ ) c abs( b v t) + ( p w [ b v t ] g a nehézség gyorsulás, 9.81 m.sec -1 ; b a henger felett szuszpenzó oszlop magassága, m. ), 2. A henger tetején levő anyag leülepedése matt súlynövekedés: a G = g A 2 b ( ρ ρ ) c abs( b v t) + ( b v t) ahol a a henger magassága, m. p w [ ], 3. A henger mellett anyag ülepedése matt súlynövekedés: a G = g A 2 l ( ρ ρ ) c abs( l v t) + ( l v t) p w [ ] ahol l a henger aljától mérhető teljes szuszpenzó oszlop magassága, m. Egy általános helyzetben t dő elteltével a szemcsék külepedése matt az areométer felfüggesztésére ható teljes súlynövekedést az -edk ülepedés sebességtartományhoz tartozó részecskék következtében az alább képlet adja meg: a ( ρ ρ ) c abs( l v t) + ( l v t) 1 G = g A p w 1 2 l b A teljes súlynövekedést a különböző (összes, még a szuszpenzó mért tartományában, a [ ] [ ( ) + ( )] + + abs b v t b v t található) részecske ülepedés sebességtartományára számított súlynövekmények összege adja:

8 G = 2 ( ) max a ρ c abs( l v t) + ( l v t) 1 v g A p w = 0 a ρ [ ] [ abs( b v t) + ( b v t) ] l b A sebesség-koncentrácó eloszlás görbe egy sokparaméteres függvény llesztésével előállítható (Cznkota et al.,2002). 4 Az automatkus szemcseméret-eloszlás meghatározás vzsgálat megvalósításának műszak lehetősége Nagyszámú mnta rutnvzsgálatára több (5-10 db) párhuzamos mérőcella alkalmazását feltételez, melyek lehetnek azonos számítógéphez kötve. Ilyen feltételek mellett célszerű a mérőegységeket a lehető legegyszerűbb és legolcsóbb és lehetőség szernt könnyen kezelhető, (rázásra, leejtésre nem érzékeny, nem törékeny, stb.) módon összeállítan. Olyan egyszerűen megvalósítható megoldásokat kerestünk, melyek gen ks elmozdulást és/vagy erőváltozást képesek érzékeln kellő sebességgel, a mérőrendszer nagyon ks zavarása nélkül, és a kapott jeleket dgtáls formában valamlyen átvtel vonalon a számítógéphez képesek továbbítan. Lehetséges megoldásként a következők jönnek számításba: Nyúlásmérő bélyegek megfelelő megoldás, azonban az áruk a vezérlő elektronkával együtt gen magas a megfelelő precízós kalakításban; Dódasoros optka szenzorok közepesen magas áron képesek megvalósítan a mérést az úszó mozgásának akadályozása nélkül, azonban az óhatatlanul felfreccsenő talajszuszpenzó lehetetlenné tehet a mérést; Mchelson nterferométer egyáltalán nem zavarja az úszó mozgását, azonban drágább a mérlegnél s és érzékeny a talajszuszpenzóval szennyezésre; Lneárs elmozdulás érzékelők (LVDT) megfelelő az áruk, azonban a kereskedelemben kapható celláknak túl nagy a súrlódása, így jelentősen meghamsítják az úszó elmozdulását; Nyomásmérő ntegrált áramkörök deáls megoldást jelentenének, mvel mozgó alkatrész nélkül tehetnék megvalósíthatóvá a mérést, azonban a kereskedelm forgalomban kapható alkatrészek érzékenysége nem megfelelő a feladathoz; Induktív érzékelők ezek elég olcsón előállíthatók, nem lneársak, azonban kalbrálhatók; Kapactív érzékelők ezekkel a vízszntet lehet nagyon pontosan érzékeln, megfelelő konstrukcó esetén alkalmas a feladatra.

9 Az érzékelés pontok között eltelt dőnek kzárólag az érzékelés és az átvtel vonalak sebessége, lletve a merevlemez tároló kapactása szab határt, ematt a mntavétel gyakorság néhány kpróbált összeállításnál akár néhány századmásodperc s lehetett. 5 Az ASTA berendezés bemutatása és a mérés kértékelése A berendezés prototípusát a 4. ábra mutatja be. 4. ábra: Az ASTA készülék prototípusa Az ASTA készülék a mérés során két csövön keresztül érntkezk a talajszuszpenzóval. Az egyk cső a mérendő szuszpenzó nyomását közvetít a jeladóhoz, míg a másk csövet a talajszuszpenzó készítéséhez felhasznált tszta oldattal vagy vízzel töltjük meg. A két csőben kalakuló folyadéksznt között a tapasztalat szernt a mérés elején 3-5 mm szntkülönbség van, amely a mérés végére teljesen kegyenlítődk. A berendezés használata során bármlyen a mérés eredményeket meg nem hamsító vegyszert (vízüveg, nátrum-karbonát oldat, lítumkarbonát oldat, nátrum-profoszfát, stb.) alkalmazhatunk a szemcsék dszpergálására, mert a referenca tsztaoldat és a szuszpenzó között szntkülönbségeket mérjük (5.ábra).

10 ASTA elektronka (vezérlés, jelfeldolgozás) Soros adatátvtel (COM, USB port) Vezérlő számítógép Mérendő szntkülönbség Talajszuszpenzó Szuszpenzóval töltött cső Tszta folyadékkal töltött cső Ülepedés referencasznt-mélység 5. ábra a berendezés sematkus vázlata A feladat ennek a maxmálsan 3-5 mm szntkülönbségnek az érzékelése és mérése egy érzékeny elektronkus mérőfejjel. Az ASTA berendezés kapactív mérőfejjel készült, mellyel elvleg 1-2 µm, gyakorlatlag 10 µm folyadéksznt-különbségek érzékelhetők. Mvel mndkét cső azonos kalakítású és anyagú, ezért a szntkülönbségek tekntetében a menszkusz problémája nem jelentkezk. A mérőfej érzékenységét és lneartását laboratórumban vzsgáltuk (6. ábra). A kalbrácós görbén jól látszk, hogy a mérőfej által adott elektromos jel gyakorlatlag lneársnak teknthető. A mérőfejjel a folyadéksznt-különbség csökkenését, azaz a sűrűség csökkenését észleljük. A sűrűségváltozásból a szemcseméret eloszlás meghatározásának megértéséhez először vzsgáljunk egy mono-, majd egy bdszperz rendszert, mely egy nagyobb, lletve egy ksebb szemcseméretű halmaz vzes szuszpenzója.

11 Elektromos jel nagysága [dgt] mért érték llesztett egyenes Param. Érték Hba A , ,3879 B 1, , R 2 SD N P , , < Folyadéksznt-különbség [µm] 6. ábra: A mérőfej által adott jel lneartása Amennyben az ülepedés sebessége állandó, am a Stokes törvényből következk, akkor monodszperz rendszer esetén a sűrűség változása lneárs, mndaddg, amíg a legutolsó, a mérés kezdetén legmagasabb helyzetben található részecske le nem süllyed a referenca-pont alá. Ezután a sűrűség konstans, megegyezk a tszta folyadék sűrűségével (7. ábra, 1. görbe). Amennyben a monodszperz rendszert a ksebb szemcsékből állítjuk elő, akkor a sűrűség-dő függvény hasonló, csak lassabban következk be a folyadék ktsztulása, lletve a konstans sűrűség kalakulása (7. ábra, 2. görbe). Bdszperz rendszerben a két folyamat együtt zajlk le, amnek következtében a két sűrűség-dő függvény eredőjét kapjuk eredményként (7. ábra, 3. görbe). Mvel a talajszuszpenzó egy poldszperz rendszer, a mért sűrűségcsökkenést, mnt véges, de nagyszámú monodszperz rendszer együtteseként kezelhetjük, azaz végesen sok darabszámú lneárs sűrűség-változás függvény összegeként értelmezhetjük. Az elmélet addg gaz, amíg a szemcsék egymás mozgását nem akadályozzák, azaz a szuszpenzó kellően híg, amt a szabványos mérés eljárás bztosít.

12 Sűrűség 1. Nagyobb szemcseméret 2. Ksebb szemcseméret 3. Összeg (eredő) görbe ábra: Mono- és bdszperz rendszerek sűrűség-dő karaktersztkája Mvel a teljes rendszert nagyszámú monodszperz rendszer együtteseként kezelhetjük, ezért a mérés során kapott sűrűség-dő függvényt véges, de tetszőleges ponthoz húzott érntővel szemcseméret -tartományokra bonthatjuk (8. ábra). Idő Elektronkus mérőjel [dgt] dő [s] 8. ábra: Mért elektronkus jel-dő függvény felbontása érntősereggel Az érntők metszéspontja az ordnátával arányos az adott részecske mennységével a szuszpenzóban, míg abszcssza mentén az érntősereg töréspontja között mért távolság adja meg az adott szemcseméret referenca pont alá süllyedéséhez szükséges maxmáls dőt,

13 vagys a süllyedés sebességet, amből a folyadék sűrűsége és vszkoztása smeretében a szemcse átlagos mérete vsszaszámítható: [ Pa. s] h[ m] 6 9 η r[ µ m] = 10. m kg 2 g ( ) t[ sec] 2 vz 3 s ρ ρ m A szemcseméret tartományokhoz tartozó ordnáta-metszetek alapján meghatározott anyagmennységeket ezek után normáljuk, így megkapjuk a hagyományos szemcseeloszlás görbét (9. ábra). Átesett % Szemcseméret [µm] 9. ábra. Egy talajpor ASTA berendezéssel meghatározott szemcseeloszlása 6 Irodalomjegyzék Cznkota, I., Nemes A., Cznkota Gy., Tolner L., Kovács B. and Pachepsky Ya.A.(2002) :An automated system for the quas-contnuous measurement of the partcle-sze dstrbuton. ASA-CSSA-SSSA Annual Meetngs, Indanapols, IN, USA, November, Flep, G. - G. Ferencz Ajánlás a talajok szemcseméret-eloszlás alapján történő osztályozásának pontosítására. Agrokéma és Talajtan, Gáspár L (1957): Közút talajmechanka laboratórum és munkahely vzsgálatok, Közlekedés Dokumentácós Vállalat, Budapest Gee, G.W. - J.W. Bauder Partcle-sze analyss. p In A. Klute (ed.) Methods of sol analyss. Part 1. 2nd ed. Agron Monogr. 9. ASA and SSSA, Madson, Wsconsn. Kézd Á. (1964): Talajmechanka praktkum, Tankönyvkadó, Budapest

14 Nemes A. - Cznkota I. - Cznkota Gy. - Tolner L. - Kovács B. (2002): An Automated System for the Quasy-Contnous Measurement of Partcle Sze Dstrbuton Proc. World Conf. on Sol Scences, Bangkok, 2002, p150. Olvera, J.C.M., C.M.P. Vaz, K. Rechardt and D. Swartzendruber Improved sol partcle-sze analyss by gamma ray attenuaton. Sol Sc. Soc. Am. J. 61: Starr, G.C., P. Barak, B. Lowery and M. Avla-Segura Sol partcle concentratons and sze analyss usng a delectrc method. Sol Sc. Soc. Am. J. 64: Stuyt, L.C.P.M The water acceptance of wrapped subsurface drans. Ph.D. Thess, Agrcultural Unversty of Wagenngen, The Netherlands. (LU-1468) 305p.