محتوى الماء

في ميكانيكا التربة وهندسة البترول، يُستخدم مصطلح تشبع الماء أو درجة التشبع .${\displaystyle S_{w}}$، ويُعرَّف على النحو التالي

${\displaystyle S_{w}={\frac {V_{w}}{V_{v}}}={\frac {V_{w}}{V\phi }}={\frac {\theta }{\phi }}}$

أين${\displaystyle \phi =V_{v}/V}$المسامية ، من حيث حجم الفراغ أو مساحة المسام${\displaystyle V_{v}}$والحجم الكلي للمادة${\displaystyle V}$تتراوح قيم S _{_w} بين 0 (جاف) و1 (مشبع) . في الواقع، لا تصل S _{_w} إلى 0 أو 1 أبدًا - فهذه مجرد تبسيطات لأغراض هندسية.

محتوى الماء المعياري ،${\displaystyle \Theta }$، (وتسمى أيضًا التشبع الفعال أو${\displaystyle S_{e}}$) هي قيمة بلا أبعاد عرفها فان جينوختن ^{[ 3 ]} على النحو التالي:

${\displaystyle \Theta ={\frac {\theta -\theta _{r}}{\theta _{s}-\theta _{r}}}}$

أين${\displaystyle \theta }$يمثل المحتوى المائي الحجمي؛${\displaystyle \theta _{r}}$يمثل محتوى الماء المتبقي، والذي يُعرف بأنه محتوى الماء الذي يكون عنده التدرج${\displaystyle d\theta /dh}$يصبح صفرًا؛ و${\displaystyle \theta _{s}}$يمثل محتوى الماء المشبع، وهو ما يعادل المسامية.${\displaystyle \phi }$.

يمكن قياس محتوى الماء مباشرة باستخدام فرن تجفيف . تتطلب طريقة التجفيف في الفرن تجفيف عينة (من التربة أو الخشب، إلخ) في فرن خاص أو موقد تجفيف، وفحص وزن العينة على فترات زمنية منتظمة. عند اكتمال عملية التجفيف، يُقارن وزن العينة بوزنها قبل التجفيف، ويُستخدم الفرق لحساب نسبة الرطوبة الأصلية للعينة.

يتم حساب المحتوى المائي الوزني، u ، ^{[ 4 ]} عن طريق كتلة الماء${\displaystyle m_{w}}$:

${\displaystyle m_{w}=m_{\text{wet}}-m_{\text{dry}}}$

أين${\displaystyle m_{\text{wet}}}$و${\displaystyle m_{\text{dry}}}$تمثل و كتلة العينة قبل وبعد التجفيف في الفرن. وهذا يعطي بسط المعادلة u ؛ أما المقام فهو إما${\displaystyle m_{\text{wet}}}$أو${\displaystyle m_{\text{dry}}}$(مما ينتج عنه u' أو u" على التوالي)، اعتمادًا على التخصص.

من ناحية أخرى، يتم حساب المحتوى المائي الحجمي، θ ، ^{[ 5 ]} عن طريق حجم الماء${\displaystyle V_{w}}$:

${\displaystyle V_{w}={\frac {m_{w}}{\rho _{w}}}}$

أين${\displaystyle \rho _{w}}$هي كثافة الماء . وهذا يعطي بسط θ ؛ أما المقام،${\displaystyle V_{\text{wet}}}$، هو الحجم الكلي للمادة الرطبة، والذي يتم تحديده ببساطة عن طريق ملء وعاء ذي حجم معروف (مثل علبة معدنية ) عند أخذ عينة.

بالنسبة للخشب ، جرت العادة على الإبلاغ عن نسبة الرطوبة على أساس التجفيف في الفرن (أي تجفيف العينة في فرن مضبوط على درجة حرارة 105 درجة مئوية لمدة 24 ساعة أو حتى يتوقف فقدان الوزن). وهذا مفهوم مهم في تجفيف الخشب .

تشمل الطرق الأخرى لتحديد محتوى الماء في العينة المعايرات الكيميائية (مثل معايرة كارل فيشر )، وتحديد فقدان الكتلة عند التسخين (ربما في وجود غاز خامل)، أو بعد التجفيف بالتجميد . كما تُستخدم طريقة دين-ستارك بشكل شائع في صناعة الأغذية .

يمكن حساب إجمالي محتوى الرطوبة القابلة للتبخر في الركام (C 566) من الكتاب السنوي لمعايير الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد ( ASTM ) باستخدام الصيغة التالية:

${\displaystyle p=100{\frac {W-D}{D}}}$

أين${\displaystyle p}$يمثل هذا الجزء نسبة إجمالي محتوى الرطوبة القابلة للتبخر في العينة،${\displaystyle W}$هي كتلة العينة الأصلية، و${\displaystyle D}$كتلة العينة المجففة.

بالإضافة إلى الطرق المباشرة والمخبرية المذكورة أعلاه، تتوفر الخيارات التالية.

إضافةً إلى الطرق الأساسية المذكورة أعلاه، توجد طريقة أخرى لقياس نسبة الرطوبة في الخشب: وهي مقياس الرطوبة الإلكتروني . ويُعدّ مقياس الرطوبة ذو الدبابيس ومقياس الرطوبة بدون دبابيس النوعين الرئيسيين من مقاييس الرطوبة.

تتطلب أجهزة قياس الرطوبة ذات الدبابيس غرس دبوسين في سطح الخشب مع التأكد من محاذاتهما مع اتجاه ألياف الخشب وليس عموديين عليها. توفر هذه الأجهزة قراءات لمحتوى الرطوبة عن طريق قياس مقاومة التيار الكهربائي بين الدبوسين. كلما كان الخشب أكثر جفافًا، زادت مقاومة التيار الكهربائي عند القياس دون نقطة تشبع ألياف الخشب. يُفضل استخدام أجهزة قياس الرطوبة ذات الدبابيس عمومًا عندما لا يتوفر سطح مستوٍ من الخشب للقياس.

تقوم أجهزة القياس بدون دبابيس بإصدار إشارة كهرومغناطيسية في الخشب لتوفير قراءات لمحتوى الرطوبة في الخشب، وهي مفضلة بشكل عام عندما يكون تلف سطح الخشب غير مقبول أو عندما يكون هناك حاجة إلى حجم كبير من القراءات أو سهولة أكبر في الاستخدام.

في علوم التربة والهيدرولوجيا والعلوم الزراعية ، يلعب محتوى الماء دورًا هامًا في تغذية المياه الجوفية والزراعة وكيمياء التربة . وقد سعت العديد من الجهود البحثية العلمية الحديثة إلى فهم تنبؤي لمحتوى الماء مكانيًا وزمنيًا. وكشفت الملاحظات عمومًا أن التباين المكاني في محتوى الماء يميل إلى الزيادة مع ازدياد الرطوبة الإجمالية في المناطق شبه القاحلة، وإلى الانخفاض مع ازدياد الرطوبة الإجمالية في المناطق الرطبة، ويبلغ ذروته في ظل ظروف الرطوبة المتوسطة في المناطق المعتدلة. ^{[ 9 ]}

هناك أربعة معايير لمحتوى الماء يتم قياسها واستخدامها بشكل روتيني، وهي موضحة في الجدول التالي:

وأخيرًا، محتوى الماء المتاح ، θ _a ، والذي يعادل:

θ _a ≡ θ _fc − θ _pwp

والتي يمكن أن تتراوح بين 0.1 في الحصى و 0.3 في الخث .

• يُعرَّف الجفاف التام (OD) بأنه حالة الركام التي لا تحتوي على أي رطوبة في أي جزء منه. ويمكن تحقيق هذه الحالة في المختبر بتسخين الركام إلى 105  درجة مئوية (220  درجة فهرنهايت) لفترة زمنية محددة. ^{[ 11 ]}
• يُعرَّف الجفاف الهوائي بأنه حالة الركام التي تحتوي مساماتها على بعض الماء أو الرطوبة، بينما تكون أسطحها الخارجية جافة. وهذه حالة طبيعية للركام في فصل الصيف أو في المناطق الجافة. في هذه الحالة، يمتص الركام الماء من المواد الأخرى المضافة إلى سطحه، مما قد يؤثر على بعض خصائصه. ^{[ 11 ]}
• يُعرَّف التشبع السطحي الجاف (SSD) بأنه حالة الركام التي تكون فيها أسطح الجزيئات "جافة" ( أي أنها لا تمتص أيًا من ماء الخلط المضاف، ولا تُساهم بأي من الماء الموجود بداخلها في الخليط ^{[ 11 ]} )، بينما تكون الفراغات بين الجزيئات مشبعة بالماء. في هذه الحالة، لا يؤثر الركام على محتوى الماء الحر في المادة المركبة . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

يتم تعريف امتصاص الماء بالكتلة (A _m ) بدلالة كتلة العينة المشبعة السطح الجافة (M _ssd ) وكتلة عينة الاختبار المجففة في الفرن (M _dry ) من خلال الصيغة التالية:

${\displaystyle A={\frac {M_{ssd}-M_{dry}}{M_{dry}}}}$

• تُعرَّف حالة الرطوبة (أو البلل) بأنها حالة الركام التي يتغلغل فيها الماء بالكامل عبر مساماته، ويوجد ماء حر على أسطحه يزيد عن حالة الجفاف السطحي، والذي سيصبح جزءًا من ماء الخلط. ^{[ 11 ]}

من بين حالات الرطوبة الأربع للركام، تُعدّ حالة التشبع السطحي الجاف الأكثر استخدامًا في التجارب والأبحاث والدراسات المخبرية، لا سيما تلك المتعلقة بامتصاص الماء، ونسبة التركيب، أو اختبارات الانكماش في مواد مثل الخرسانة. في العديد من التجارب ذات الصلة، تُعتبر حالة التشبع السطحي الجاف شرطًا أساسيًا قبل بدء التجربة. في هذه الحالة، يكون محتوى الماء في الركام مستقرًا نسبيًا، حيث لا يؤثر عليه محيطه. لذلك، في التجارب والاختبارات التي يكون فيها الركام في حالة التشبع السطحي الجاف، تكون العوامل المؤثرة أقل مقارنةً بالحالات الثلاث الأخرى. ^{[ 14 ] [ 15 ]}