Sandslotsteknik:En geoteknisk ingeniør forklarer, hvordan vand, luft og sand skaber solide strukturer

Hvis du vil forstå, hvorfor nogle sandslotte er høje og har indviklede strukturer, mens andre er næsten uformelige klumper af sand, hjælper det at have en baggrund inden for geoteknisk teknik.

Som geoteknisk underviser bruger jeg sandslotte i klasseværelset til at forklare, hvordan vekselvirkninger mellem jord, vand og luft gør det muligt at genopbygge landskaber efter at have udvundet metaller, der er kritiske for energiomstillingen.

At bygge et sandslot kommer ned til den rigtige blanding af disse tre ingredienser. Sand giver strukturen, men det er vand mellem sandkornene, der giver kraften - i dette tilfælde sugning - der holder sandet sammen. Og uden den rette mængde luft ville vandet bare skubbe sandkornene fra hinanden.

Ikke hvilket som helst sand

Sandkorn er ifølge standardorganet ASTM Internationals Unified Soil Classification System jordpartikler med en diameter på 0,003 tommer (0,075 mm) til 0,187 tommer (4,75 mm). Sand har pr. definition mindst halvdelen af ​​deres partikler i det område. Silt eller ler er jord med partikler mindre end sandstørrelse. Og jord med partikler større end sandstørrelse er grus.

Størrelsen af ​​partikler, eller korn, bestemmer også, hvordan sand ser ud og føles. De mindste sandkorn har en tekstur næsten som pulveriseret sukker. De største korn er mere på størrelse med små tørre linser.

Det meste sand vil fungere til at bygge et sandslot, men det bedste sand har to egenskaber:Sandkorn i flere forskellige størrelser og korn med kantede eller ru kanter. Variation i kornstørrelse gør det muligt for mindre sandkorn at fylde lommerne eller porerne mellem de større sandkorn. Resultatet er øget sandstyrke.

Sandkorn, der er mere kantede, med skarpe hjørner på dem, hænger bedre sammen, hvilket gør sandslottet stærkere. Det er den samme grund til, at en bunke kantede træklodser bliver i en bunke, men en bunke kugler vil gå overalt.

Det er også derfor, overraskende nok, det bedste sand til sandslotte ikke typisk findes på en ø eller en kyststrand. Mere kantede sandkorn findes normalt tættere på bjergene, deres geologiske kilde. Disse sandkorn har endnu ikke fået deres kanter afrundet af vind og vand. Professionelle sandslotsbyggere vil gå så langt som til at importere flodsand til deres kreationer.

Endelig, jo tættere sammen sandkornene er, jo stærkere vil sandet være. Ved at presse vådt sand tæt sammen, ved komprimering eller stamping, klemmer sandkornene sammen, hvilket mindsker porernes størrelse og øger den effekt, vand kan have. Komprimering øger også kornsammenlåsning og dermed sandstyrke.

Vand er nøglen

Uden vand danner sand bare en bunke. For meget vand og sand flyder som væske. Men mellem tørt sand og mættet sand ligger en bred vifte af fugtniveauer, der muliggør sandslotsbyggeri.

Vand er sammenhængende, hvilket betyder, at vand kan lide at klæbe til vandet. Men vand klæber også til eller klatrer op på visse overflader. Se på et halvt glas vand, og du vil se vandet gå lidt op ad indersiden af ​​glasset. Tyngdekraften holder stadig vandet i glasset, men vandet forsøger at kravle op og våde overfladen. Denne lille magtkamp er det, der gør sandslotte mulige.

Lige hvor luft og vand mødes, er der overfladespænding. Luft-vand-grænsefladen trækker nedad og forsøger at holde vandet sammen mod de konkurrerende kræfter fra overfladebefugtning, kohæsion og tyngdekraft. Overfladespændingen trækker vandet sammen som den spændte hud på en ballon. Og overfladespænding trækker også sandkorn sammen.

Hvis glasset var meget tyndere, som et sugerør, ville vandet stige højere og have mere overfladespænding. Jo smallere strå, jo højere vil vandet stige. Dette fænomen kaldes kapillaritet.

Vand opfører sig på samme måde i vådt sand. Porerne, eller mellemrummene, mellem sandkornene er som en flok meget små sugerør. Vand danner små broer mellem kornene. Vandet i disse broer er under spænding og trækker kornene sammen af ​​en kraft, som vi geotekniske ingeniører kalder sugestress.

Lige nok vand

Mængden af ​​vand i sandet styrer størrelsen og styrken af ​​vandbroerne. For lidt vand er lig med små broer mellem sandkornene. Mere vand, og størrelsen og antallet af broer vokser, hvilket øger suget, der holder sandkornene sammen. Resultatet er perfekt sandslotssand.

Men for meget vand, og suget er for svagt til at holde sandet sammen.

En generel tommelfingerregel for at bygge store sandslotte er en del vand for hver otte dele tørt sand. Under ideelle forhold i et laboratorium, men med tæt sand og nul fordampning, kan en del vand for hver hundrede dele tørt sand frembringe vidundere. Ved en strand er sand med det rigtige fugtniveau tæt på højvandslinjen, når tidevandet er lavt.

Salt fra havvand kan i øvrigt også være en fordel for sandslotsstabiliteten. Kapillærkræfter holder sandkorn sammen i starten, men kapillærvand vil til sidst fordampe, især på en blæsende dag. Når havvandet tørrer op, efterlades salt. Da havvandet dannede broer mellem kornene, krystalliserer saltet ved disse kontaktpunkter. På den måde kan salt holde et sandslot stående længe efter, at sandet er tørret. Men pas på ikke at forstyrre det saltbundne sand; den er skør og sammenklappelig.

For at bygge et stærkt sandslot, kompakt sand og lidt vand så tæt som muligt. Jeg foretrækker at skabe en tæt høj og derefter øse og skære væk for at afsløre kunsten indeni. Du kan også komprimere sandet i spande, kopper eller andre forme og bygge fra bunden. Bare sørg for at få sandet tæt, og læg formen på et komprimeret fundament. Hænder er både et fantastisk komprimerings- og udskæringsværktøj, men en skovl eller en muslingeskal giver mulighed for mere præcision. Hav det sjovt, og vær ikke bange for at blive sandet! + Udforsk yderligere

Hvor kommer sandet på Mars fra?

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.