آشنايي جزئي با چگالي بالك و تخلخل

[m4material]

[FONT=&quot]امتیاز مهم ریخته گری در امکان تهیه اشکال پیچیده ،قطعات با سطوح منحنی نا منظم قطعات خیلی بزرگ و قطعاتی که امکان ماشین کاری آنها دشوار است ،می باشد.[/FONT][FONT=&quot][1] از طرف دیگر معایب روش ریخته گری دوغابی نسبت به سایر روشهای دیگر امکان شکل دهی قطعات بزرگ است. چون گچ غیر قابل انعطاف می باشد. بنابراین برای تولید اشکال نسبتا پیچیده لازم است که قالبها به قطعات زیادی تقسیم شده و در عین حال این امر باعث ایجاد خط درز در قالبهای اصلی و مادر می گردد.(البته برای مقابله با این مشکل در یکی دو دهه قبل، از مواد آلی انعطاف پذیر و یا "رژینهای مصنوعی" مثل "پلی ونیل کلراید" و "فنل فرمالدئید" و انواع رﮊینهای "اپوکسی" در تهیه قالبهای اصلی و مادر استفاده می شود.[2][/FONT]​

[FONT=&quot]البته نباید فراموش کنیم که عوامل مختلفی در شکل گیری لایه ریخته گری شده نقش دارند عواملی چون : دانسیته دوغاب، میزان آب موجود در دوغاب، میزان تخلخل در قالب گچی، زمان فشار سیستم، آنالیز بدنه، دانه بندی دوغاب و....؛ حتی عوامل جزیی دیگری نظیر دمای سیستم، میزان رطوبت در قالب گچی، توزیع تخلخل در قالب گچی و.... نیز در ضخامت لایه ریخته گری شده موثر هستند.[3][/FONT]​

[FONT=&quot]اما نکته ای که برای ما مهم است مربوط به تخلخل می باشد.قالب گچی به عنوان یکی از عوامل مهم در ضخامت لایه ریخته گری شده باشد. میزان تخلخل قالب گچی، توزیع این تخلخل، قطر تخلخلهای موجود و حتی میزان رطوبت قالب گچی تاثیر در ضخامت لایه گچی شده دارند.[3][/FONT]​

[FONT=&quot]قبل از ادامه بحث، بهتر است مختصری در مورد خود تخلخل بحث کنیم.[/FONT]​

[FONT=&quot]تخلخل میزان فضای خالی در مواد است و به عنوان یک نسبت بین 1- 0 یا بین 100%- 0 اندازه گرفته می شود. این موضوع در زمینه های متفاوتی که شامل سرامیک، متالوﮊی، ساخت و تولید، زمین شناسی و ساختمانسازی مورد استفاده قرار می گیرد. نسبتی که در زمین شناسی، آبشناسی، علم خاک و علم ساختمانسازی مورد استفاده قرار می گیرد، در نسبت زیر آورده شده است:[/FONT]​

[FONT=&quot]که [/FONT]Vv[FONT=&quot]برابر با حجم حفرات خالی و [/FONT]Vv[FONT=&quot] برابر با حجم بالک می باشد. تخلخل که معمولا بین 1- 0 می باشد از 0.01 برای گرانیت تا 0.5 برای ذغالسنگ و خاک رس می باشد. البته ممکن است بر حسب درصد نیز مشخص می شود.[2][/FONT]

[FONT=&quot]
[/FONT]​

[FONT=&quot]تخلخل سنگ یا لایه های ته نشین شده ([/FONT]Sedimentary Layer[FONT=&quot]) یک مورد مهم می باشد.مخصوصا زمانیکه اقدام به ارزیابی پتانسیل حجم آب یا هیدروکربن می کنیم[/FONT]
[FONT=&quot]تخلخل غیر مستقیم به ضریب آبگذری ([/FONT]Hydraulic Conductivity[FONT=&quot]) مرتبط است. برای سفره های آبی ماسه ای که تخلخل بیشتری دارد معمولا ضریب آبگذری بیشتری نیز دارد.(فضای خالی زیاد برای جریان آب) اما پیچیدگی برای این نسبت وجود دارد. خاک رس که معمولا ضریب آبگذری پایینی دارد از تخلخل بالایی بهره مند است یعنی خاک رس توانایی نگهداری زیاد آب را داراست ولی به سرعت، آب از دست نمی دهد.معمولا دانسیته بالک خاک ماسه ای بین[/FONT]g/cm3[FONT=&quot] 1.7-1.5 می باشد؛ که تخلخل بین 0.51- 0.58 را پیدا کند.[4][/FONT]​

[FONT=&quot]می دانیم که رایج ترین ماده ای که برای ساخت قالبهای مختلف در ریخته گری دوغابی استفاده می شود ژیبس است که از واکنش بین گچ با آب درست می شود ([/FONT]Caso4.1/2H20[FONT=&quot]) این تکنولوﮊی برای ساختن و از کار درآوردن قالبهایی با سطح هموار و صاف که در مورد تخلخلهای بزرگ و ریز در حد میکرونی، مقدار کم انبساط ابعادی [/FONT][FONT=&quot](در صورت 0.17%) در گیرش که به خارج شدن مدل می کند.[5][/FONT]​

[FONT=&quot]در زمان گیرش یک شبکه به هم پیوسته بین لایه های سوزنی شکل ایجاد می شود که باعث افزایش استحکام قالب می شود. بعد از خشک کردن قالبهایی با ماکزیمم اندازه ی تخلخل یعنی [/FONT]m[FONT=&quot]µ[/FONT]5[FONT=&quot] و تخلخل ظاهری بین 40 تا 50 درصد ایجاد می شود. درصد وزنی آب به گچ بالا برای ریخته گری قالب های صنعتی استفاده می شود که بیشترین تخلخل دارد و اندازه ی تخلخل ها اندکی بزرگتر است که جذب آب را بالا می برد ولی استحکام را پایین می آورد. البته لازم به تذکر است که جریان هوا در زمان گیرش اولیه باعث ایجاد کانالهای تخلخل می شود.[5][/FONT]​

[FONT=&quot]با توجه به تجربیات می توان دید که در نسبتهای حدود 80% بهترین سرعت ریخته گری حاصل می شود. علت افت شدید سرعت ریخته گری در تخلخلهای بالاتر مربوط به پیوستن تخلخلها به هم و بزرگ شدن قطر آنها می شود. بابزرگ شدن قطر تخلخلها پدیده اسمز و جذب آب قالب گچی کاهش می یابد.[2][/FONT]​

[FONT=&quot]سوالی که اینجا به آن اشاره نمود این است که با توجه به افزایش سرعت ریخته گری دراثر کاهش تخلخل،چرا همواره توصیه میشود که تخلخل قالب های ریخته گری در مقایسه با قالبهای جیگر و غیره باید بیشتر باشد؟این امر بدلیل اینست که در روش ریخته گری چنانچه قالبهای متراکم(به طور نسبی)مورد استفاده قرار گیرند.متاسفانه قطعه ریخته گری شده بوجود می آید. [3][/FONT]​

[FONT=&quot]انواع تخلخل نیز عبارتند از[/FONT][FONT=&quot]:[/FONT]​

1)[FONT=&quot]تخلخل اولیه([/FONT]primary porosity[FONT=&quot]): تخلخل اصلی سیستم در سنگ یا مواد آبرفتی غیر محدود[/FONT]​

2)[FONT=&quot]تخلخل ثانویه([/FONT]secondary porosity[FONT=&quot]): یک تخلخل جدا و ثانویه در سنگ که تخلخل کلی سنگ را افزایش می دهد. که ممکن است در نتیجه شستشوی شیمیایی مینرالها یا ایجاد سطح شکستگی باشد. این تخلخل ممکن است جایگزین تخلخل اولیه شود یا همراه آن وجود داشته باشد.[/FONT]​

3)[FONT=&quot]تخلخل درشت ([/FONT]macro porosity[FONT=&quot]): تخلخهای بزرگتر از [/FONT]nm[FONT=&quot]50[/FONT]​

4)[FONT=&quot]تخلخل متوسط([/FONT]meso porosity[FONT=&quot]): تخلخلهای بزرگتر از [/FONT]nm[FONT=&quot]2و کمتر از [/FONT]nm[FONT=&quot]50[/FONT]​

5)[FONT=&quot]تخلخلهای ریز([/FONT]micro porosity[FONT=&quot]): تخلخلهای کوچکتر از [/FONT]nm[FONT=&quot]2[/FONT]​

6)[FONT=&quot]تخلخلهای دوتایی([/FONT]dual porosity[FONT=&quot]): [/FONT]​

7)[FONT=&quot]تخلخلهای باز و بسته([/FONT]effective or open porosity[FONT=&quot])[/FONT]​

8)Vuggy porosity​

9)[FONT=&quot]تخلخل شکست([/FONT]fracture porosity[FONT=&quot]) [/FONT]][FONT=&quot]4[/FONT][​

[FONT=&quot]پس؛ در مورد نتیجه ای که می توان گرفت باید توجه کرد که برای اندازه گیریها ثابت نگهداشتن نسبت گچ به آب مهم است؛ چون که تأثیر قابل توجهی بر زمان گیرش، استحکام و تخلخل داراست و نسبت گچ به آب مقدار زیادی بر تخلخل گیرش گچ تأثیرگذار است و با افزایش نسبت، مقدار تخلخل کاهش می یابد.[/FONT]][FONT=&quot]6[/FONT][​

[FONT=&quot]در ادامه به توضیح در مورد دانسیته (چگالی) می پردازیم. اما در ابتدا بهتر است به آشنایی در مورد دانسیته بپردازیم.[/FONT]​

[FONT=&quot]در علوم پایه چگالی را مقدار [/FONT][FONT=&quot]جرم[/FONT][FONT=&quot] موجود در واحد [/FONT][FONT=&quot]حجم[/FONT][FONT=&quot] ماده می‌دانند و آن را با علامت اختصاری [/FONT][FONT=&quot]ρ[/FONT][FONT=&quot] نشان می‌دهند که از رابطه [/FONT][FONT=&quot]ρ=m/V[/FONT][FONT=&quot] به دست می‌آید. در صورتی که در علوم پیشرفته، این تعریف از چگالی صحیح نیست و دقیقا تعریف جرم واحد حجم یا جرم مخصوص یا همان دانسیته می‌باشد. در علم کل، وزن مخصوص یک ماده به وزن آب هم‌حجم آن را در شرایط استاندارد، چگالی می‌گویند و ان را با [/FONT][FONT=&quot]S[/FONT][FONT=&quot] نشان می‌دهند. در رابطه ذکر شده، [/FONT][FONT=&quot]ρ[/FONT][FONT=&quot] چگالی ماده، [/FONT][FONT=&quot]m[/FONT][FONT=&quot] جرم جسم و [/FONT][FONT=&quot]V[/FONT][FONT=&quot] حجم اشغال شده توسط آن ماده‌است. همچنین، بین چگالی و [/FONT][FONT=&quot]وزن[/FONT][FONT=&quot]مخصوص[/FONT][FONT=&quot] باید تفاوت قائل شد. چگالی مقدار جرم موجود در واحد حجم است، ولی وزن مخصوص به معنی وزن واحد حجم ماده‌است. [/FONT][FONT=&quot]][/FONT][FONT=&quot]4[/FONT][FONT=&quot][[/FONT]​

[FONT=&quot]یکی از انواع دانسیته ها، دانیسته بالک است. دانسیته بالک یکی از خصوصیات پودر، گرانول و دیگر "جامدات تقسیم شونده"([/FONT][FONT=&quot]divided soils[/FONT][FONT=&quot]) می باشد که در مراجع به عنوان خاک([/FONT][FONT=&quot]soil[/FONT][FONT=&quot]) مورد استفاده قرار می گیرد و آن به معنای جرم بسیاری از ذرات بخش بر حجم کلی است که آنها را اشغال می کنند. حجم کل شامل حجم ذرات[/FONT][FONT=&quot] و حجم تخلخل های ذاخلی است.[/FONT][FONT=&quot][7 ][/FONT] (Inter-particle void volume)[FONT=&quot]حجم حفرات بین ذرات[/FONT]​

[FONT=&quot]جرم توسط خشک کردن نمونه به یک وزن مشخص و ثابت در دمای 150 درجه سانتی گراد و حجم بالک مجموع تخلخلها و حجم ماده در زمان نمونه گیری می باشد. واحد معمول دانسیته بالک در [/FONT]SI [FONT=&quot]، [/FONT]Mg/m3[FONT=&quot]است که از نظر عددی مانند [/FONT]g/cm3[FONT=&quot]. دانسیته بالک یکی از خصوصیات فیزیکی خاک در نظر گرفته است که برای موارد زیر مورد نیاز می باشد.[/FONT]​

[FONT=&quot]1.تعیین درجه تراکم و غلظت (که به عنوان اندازه ی ساختار خاک مورد نظر است)[/FONT]​

[FONT=&quot]2.مورد استفاده به عنوان شاخص حالت هوادهی خاک (به همراه درصد رطوبت خاک)[/FONT]​

[FONT=&quot]3.تعیین درصد رطوبت خاک و ارزش مواد مغذی از مبنای ثقل سنجی به حجم سنجی[/FONT]​

[FONT=&quot]دانسیته بالک خاک به همان اندازه که به حالت ساختاری وابسته است به ترکیب نیز وابستگی دارد بنابراین تمایل دارد با بافت خاک که تعیین کننده استحکام ذرات خاک می باشد تغییر کند. خاکهای ماسه ای تمایل به داشتن دانسیته بالک بیشتر (1.9- 1.4[/FONT]Mg/m3[FONT=&quot]) نسبت به خاک رس (1.4- 0.9[/FONT]Mg/m3[FONT=&quot]) هستند. خاکهای آتشفشانی و خاکهایی که دارای ذغالسنگ نارس هستند تمایل به داشتن دانسیته بالک کمتر از [/FONT]1Mg/m3[FONT=&quot] می باشند و آن هم به دلیل میزان بالای ماده ی آلی و مینرال ویژه رسی از گذشته و مینرال های ماده آلی بیشتر برای بعد می باشد. مواد آلی متمایل به کاهش میزان به هم فشردگی می باشند. براساس اندازه گیریهای 58 خاک سطحی در اسکاتلند تاثیر مواد آلی به صورت آماری در رابطه ی زیر نشان داده شده است:[/FONT]​

[FONT=&quot]ρ[/FONT][FONT=&quot]max=1.86-0.055*OM[/FONT]

[FONT=&quot]که[/FONT][FONT=&quot]max[/FONT][FONT=&quot]ρ [/FONT][FONT=&quot]دانسیته بالک ماکزیمم در محدوده[/FONT][FONT=&quot]Mg/m3[/FONT][FONT=&quot] 1.8- 1.3 و [/FONT][FONT=&quot]OM[/FONT][FONT=&quot] ظرفیت مواد آلی در محدوده ی% 10- 2 می باشد.[/FONT][FONT=&quot][8][/FONT]

[FONT=&quot]چگالی بالک به عنوان یک خصوصیت ذاتی مطرح نیست بلکه بستگی به نحوه بدست آمدن آن دارد. برای مثال ذراتی که از خاک درون سیلندر ریخته شده اند دارای چگالی بالک مشخص هستند و اگر سیلندر به هم بخورد ممکن است دور شوند و یا نزدیک به هم جای بگیرند که در نتیجه چگالی بالک افزایش می یابد به همین خاطر چگالی بالک به دو صورت آزاد ([/FONT]Freely Settled[FONT=&quot]) و فشرده ([/FONT]Tapped[FONT=&quot]) گزارش می شوند. که در حالت فشرده پس از ریختن خاک و عمل فشرده سازی محفظه معمولا در حالت لرزشی قرار می گیرد. البته این قابل توجه است که چگالی بالک نسبت معکوس با تخلخل دارد یعنی هرچه تخلخل زیادتر باشد اندازه چگالی بالک کاهش می یابد.[/FONT][FONT=&quot][4][/FONT]​

[FONT=&quot]اندازه گیری چگالی بالک از طریق آزمایش [/FONT][FONT=&quot]ASTM[/FONT][FONT=&quot]:[/FONT]
[FONT=&quot] برای این کار یک قیف مانندی را توسط نمونه پر می کنیم خاک اضافه آمده را از روی سطح جدا می کنیم تا میزان خاک هم سطح شود سپس سیلندر و خاک را با هم وزن میکنیم و وزن بدست آمده را از وزن سیلندر کم کرده و از حجم سیلندر کم می کنیم تا حجم بالک بدست آید.[9][/FONT]
​

​