Meting van capillaire stijghoogte en vochtspanningskarakteristiek

Voor de bepaling van de capillaire stijghoogte en de vochtspanningskarakteristieken van een mineraal aggregaat wordt doorgaans een van de volgende proeven gebruikt:

• RAW2015 proef 105 ‘Vochtspanningskarakteristiek van zand (pF-proef)’;
• NEN-EN 1097-10 ‘Bepaling van de waterzuighoogte’.

De proeven worden bijna alleen op fijnkorrelig materiaal uitgevoerd en zelden op grof granulair materiaal omdat bij deze materialen hoogst zelden capillaire werking aanwezig is. Grovere steenmengsels waarvan de holle ruimte zijn gevuld met fijn materiaal, kunnen wel capillaire werking vertonen. Niettemin wordt van deze mengsels nooit de capillaire stijghoogte bepaald.

In deze paragraaf wordt alleen de RAW-proef beknopt beschreven. Een monster mineraal aggregaat wordt op een zeef 2 mm gezeefd. Van het materiaal door zeef 2 mm wordt door middel van een monsterverdeelapparaat een representatief deel van ongeveer 1 kg genomen en op een vochtgehalte van 10 procent (m/m) gebracht. Het monstermateriaal wordt in een stalen vorm met een diameter van 50 mm aangebracht in drie gelijke lagen van ongeveer 20 mm dik. Per laag wordt het materiaal verdicht door 25 slagen met een stamper van 60 mm hoogte.

Vervolgens wordt het monster verzadigd. Na deze bewerking wordt het monster op een bak met zogenoemd Blokzijlzand geplaatst (zie figuur 5.44). Tussen monster en zandbak wordt een stuk nylondoek bevestigd. Blokzijlzand is een zeer fijn, eenkorrelig zand met een ‘gemiddelde’ korreldiameter van ongeveer30 μm. Deze ‘zandbak’ is eveneens verzadigd.

Vervolgens wordt het freatisch vlak in de bak zover verlaagd dat ter plaatse van de onderkant van het monster een zuigspanning van 2,5 cm waterkolom wordt uitgeoefend. Nadat evenwicht is bereikt tussen de zuigspanning en het vochtgehalte in het monster wordt dit vochtgehalte door weging van het monster vastgesteld. Daarna wordt door waterstandsverlaging een nieuwe, grotere zuigspanning aangelegd, totdat evenwicht is bereikt en wordt het monster weer gewogen. Conform de RAW2015 proef 105 worden zuigspanningen van 3,2 cm, 10 cm, 20 cm, 63,1 cm tot 200 cm waterkolomdruk gebruikt. Omdat het Blokzijlzand niet in staat is een onderspanning groter dan 100 cm waterkolomdruk vast te houden, wordt voor bepalingen bij hogere zuigspanningen een laag kaoliniet toegepast. Op deze wijze kunnen onderspanningen tot 500 cm waterkolomdruk worden bereikt. De totale proef duurt minimaal zeven dagen.

Na de proef wordt uit de wegingen het vochtgehalte van het monster afgeleid en wordt de zuigspanning uitgezet als functie van het vochtgehalte in het monster. De zuigspanning wordt om praktische redenen uitgezet als de logaritme van de zuigspanning uitgedrukt in centimeters waterkolom. Deze logaritme wordt aangeduid als pF-waarde. Zo is bij 10, 100 en 500 cm waterkolom zuigspanning de pF-waarde respectievelijk 1, 2 en 2,7.

De relatie tussen het vochtgehalte en de pF-waarde wordt de pF-curve of vochtspanningskarakteristiek genoemd (zie figuur 5.45). In landbouwpublicaties wordt ook de term waterretentiekarakteristiek gebruikt.

Bij nadere beschouwing van de pF-curve blijkt dat bij de meeste zanden reeds bij een geringe onderspanning het water uit de grove poriën draineert. Daarna is het zand in feite niet meer volledig verzadigd. Bij hogere onderspanningen blijft vervolgens het vochtgehalte vrijwel constant, wat betekent dat een groot aantal poriën aanwezig is met capillaire afmetingen die voldoende klein zijn om het vocht vast te houden totdat de zuiging zo groot wordt dat vrijwel tegelijkertijd het merendeel van de poriën draineert. Dit verschijnsel wordt geïllustreerd door het vlakke, horizontale deel van de curve, de ‘zitting van de stoeltjesvorm’. Het overgangsgebied tussen het verticale en horizontale deel van de pF-curve is bij zanden meestal duidelijk herkenbaar, terwijl bij materialen zoals leem en klei het horizontale deel nauwelijks tot niet aanwezig is (zie figuur 5.45).

De vochtspanningskarakteristiek vormt de basis voor de bepaling van de verzadigde capillaire stijghoogte. Diverse onderzoekers en instanties definiëren deze stijghoogte verschillend. Sommige onderzoekers definiëren de hoogte van het horizontale deel als verzadigde capillaire stijghoogte, anderen gebruiken weer het midden van de overgangsboog (zitting van stoel) [1]. In Nederland wordt voor zanden meestal de definitie van Grootveld gebruikt [41]: ‘de capillaire stijghoogte is de hoogte in meters boven het freatisch vlak waarbij het vochtgehalte gelijk is aan het optimumvochtgehalte verkregen met de normale proctorproef op het betreffende materiaal.’ Stel dat dit optimumvochtgehalte voor een voorbeeldzand 12,5 procent bedraagt, dan zou volgens de stippellijn in figuur 5.45 de pF-waarde voor het voorbeeldzand 1,5 zijn.
Dit houdt in dat de capillaire stijghoogte 10^1,5 = 32 cm zou moeten zijn, dus praktisch gezien 0,3 m.