Mitől áll a homokvár?

A homok a leghasznosabb anyag a Földön az édesvíz után. Csodálatos és hihetetlenül sokszínű. Mindenütt jelen van, mégis szűkösek a készletek. Homok nélkül nincsenek épületek, utak, de nincs üveg sem, okostelefon és internet se. Homokot használnak a fémöntésnél, a víztisztításban és a kerámiaiparban. Homokból nyerik a szilíciumot a mikrochipek gyártásához. És persze nyáron a strand sem képzelhető el homokvár nélkül. Játsszunk most ezzel az anyaggal!

Ezt a várat a holland Wageningen UR diákjai emelték egy homokvárépítő versenyen
A homok a kőzetek mállásakor keletkező szemcsés anyag, amit a szél, a víz vagy a jég az eredeti képződési helyéről elhordott, és jól osztályozott formában valahol lerakott. A talajmechanikában azt az anyagot hívják homoknak, amelynek a szemcsemérete 0,063 és 2,0 mm közötti. Ami ennél finomabb szemcsékből áll, azt iszapnak, ami durvább, azt kavicsnak hívják. Persze vannak keverékek is, például homokos kavics (köznépi nevén sóder) vagy iszapos homok, amelyekben többféle szemcseméretű frakció egyszerre dominál. A homok leggyakoribb alkotója a kvarc, vagyis a szilícium-dioxid. Az egészen tiszta, szürkésfehér kvarchomok igen értékes ipari nyersanyag. A homokban azonban lehetnek mindenféle más anyagok is, például mész, dolomit, földpátok, csillámok, gránátok, magnetit. A szennyezőktől a homok többnyire sárgás vagy barnás, de például a glaukonitot, kloritot vagy olivint tartalmazók zöldes színűek. Az új-mexikói White Sands híres hófehér homokja magas gipsztartalmának köszönheti színét. A Szahara vagy az Arab-félsziget sivatagjainak homokja a magas vastartalom miatt vöröses árnyalatú. A vas és a túl apró szemcsék miatt a sivatagi homok nem alkalmas beton készítésére. Sokan nem is hinnék, hogy az Egyesült Arab Emirátusok, amelynek területe nagyrészt sivatag, a világ legnagyobb homokimportőre. Az építkezésre alkalmas homokot kénytelenek külföldről vásárolni.
A homok nem megújuló erőforrás, és a tiszta, jó minőségű, ipari felhasználásra alkalmas készletek fogyóban vannak világszerte. Biztató kísérletek vannak a bontott beton újrahasznosítására, különféle hulladékanyagok betonadalékként való felhasználására, illetve homok mesterséges előállítására, de a természetes homoknak egyelőre nincs igazán jó alternatívája. A homokhiányt jelzi, hogy Indonéziában már kalózok lopják a kisebb szigeteket. Magyarországon elegendő készletek vannak ahhoz, hogy a hazai igényeket még jó ideig ki lehessen elégíteni.

Egy kis homokkupac-fizika


Mikroszkóp alatt is érdemes megnézni a homokszemcséket! Ahány vidék, annyifélék
Nézzünk meg egy kupac homokot mikroszkóp alatt! A száraz homok apró, fajtájától függően jobban vagy kevésbé koptatott szemcsékből áll, amelyek között a teret levegő tölti ki. Nyilvánvaló, hogy a homokra ható erők (például az önsúly és a teher, ha, mondjuk, rálépünk) a részecskék érintkezési felületein adódnak át. A szemcséket nem ragasztja egymáshoz semmi, könnyen elmozdulnak.
Ha rálépünk a homokra, az valamennyire összenyomódik, hiszen ott marad benne a lábnyomunk. A hétköznapi (néhányszor 10 kN/m² nagyságrendű) terhek mellett maguk a szemcsék gyakorlatilag összenyomhatatlanok. Az alakváltozást (a lábnyom besüllyedését) nem a szemcsék deformációja, hanem azok átrendeződése, a pórusok összenyomódása okozza. A szemcsék közötti hézagok összefüggők és nyíltak, így a pórusokat kitöltő levegő egy része távozni tud. Hasonló jelenséget tapasztalnánk akkor is, ha a pórusokat víz töltené ki: a deformáció a pórusvíz kinyomódásával és a szemcseváz átrendeződésével jár. Sok építmény tönkremenetelét, az alapok elmozdulását, a rézsűk megcsúszását és a földcsuszamlásokat nem egyszerűen a talaj összenyomódása, hanem a talajban bekövetkező törés, a talajrétegek megcsúszása okozza. Ezek nyírás jellegű változások, amelyek során a talaj egyes részei egymáson elmozdulnak.

A talajt akár összenyomás éri, akár fellazulás, akkor következik be törés, ha a feszültségállapot eléri a Coulomb-egyenest (pontosabban a megfelelő Mohr-kör érinti azt)
A különféle talajok teherbírása már a középkori várépítőket is nagyon érdekelte, de megfelelő elméleti alapok hiányában csak a tapasztalataikra hagyatkozhattak. A földművek állékonyságának tudományos vizsgálatával először Charles Augustin de Coulomb francia hadmérnök foglalkozott a 18. század végén. Coulomb nevét többnyire az elektromosság Coulomb-törvényéről ismerik, de a mechanika is sokat köszönhet neki. Magyarországon Coulomb eredményeit felhasználva Kőszeghi-Mártony Károly hadmérnök foglalkozott először földnyomáselméletekkel. Coulomb úgy találta, hogy a kritikus nyomó- és nyírófeszültségek nem függetlenek egymástól, hanem közöttük a


összefüggés áll fenn, ahol τ a nyírófeszültség, σ a nyomófeszültség, ϕ az adott talajféleségre jellemző úgynevezett belső súrlódási szög, pedig a szemcséket összetartó kohézió. Az összefüggés lineáris, derékszögű koordináta-rendszerben ábrázolva egy egyenest ad. Ez persze csak közelítés, a valóságos kép ennél bonyolultabb, de most nekünk ez is megfelel. A talajban az önsúly és a terhek függvényében sokféle nyomó- és nyírófeszültség kialakulhat. Ha a kialakult τ1 és σ1 értékpár a Coulomb-egyenes alatt van (mint az ábrán a kék pötty), akkor a talaj elviseli a terhet. Ha, mondjuk, addig növeljük a feszültség értékét, amíg a Coulomb-egyenes fölé kerülünk (τ2, narancssárga pötty), akkor a talaj eltörik, megcsúszik.
Az ábrán azt is látjuk, hogy az ideálisan szemcsés, kohézió nélküli (c=0) talaj esetében a Coulomb-egyenes az origón megy át (zöld szaggatott vonal), ami azt jelenti, hogy az ilyen talaj összenyomás nélkül semmiféle nyírófeszültséget nem visel el. A száraz homok ilyen anyag. Ha leöntjük egy kupacba, úgy rendeződik el, hogy a szemcsék egyensúlyba kerüljenek. A kupac minden részén a ható erők kiegyenlítik egymást, eredőjük zérus. Emiatt van, hogy a kupac lejtője nem lehet meredekebb a ϕ szögnél. A kupac belsejében az önsúly miatt van σ nyomófeszültség, de a felszínen nincs, így a felszín semmilyen nyíróerőnek nem áll ellen. A legkisebb erőhatás is mozgásba tudja hozni, például a szél. Így alakul ki a futóhomok.
Ha a talajban van kohézió (c>0), akkor nemcsak nyomás esetén marad állékony, hanem 0 nyomásnál, sőt negatív nyomás, azaz húzás esetén is. A kohézióval bíró talaj rövid ideig még enyhe húzást is elvisel, fel tud venni valamennyi húzófeszültséget. Mindenki tudja, hogy nyúlós, nedves agyagból hurkát lehet sodorni, és ezt a végénél fogva fel lehet emelni anélkül, hogy szétesne. Egy ideig megtartja a saját súlyát. Ugyanezt homokkal nem lehet megcsinálni. Ha megfelelően nedves, akkor össze lehet gyúrni a homokot is, de megemelni már nem lehet, a saját súlyát sem bírja el.


Száraz, nedves vagy folyós



A száraz homokszemek egymáson gördülhetnek (balra), a vékony vízfilm azonban összetapasztja őket (középen). A vízzel telített homokban viszont úszkálnak a szemcsék
A száraz, csak ϕ szögű homok kupacban áll meg, a nedvesből tornyot is lehet emelni, de a vízzel telített folyadékként folyik
A száraz szemcsés anyagban a szemcsék egymásra támaszkodnak, de egymáson könnyen elcsúsznak, gördülnek. Ha benedvesítjük a homokot, akkor a víz vékony filmként vonja be a szemcséket. A vízmolekulák viszonylag erős hidrogénhíd-kötéseket létesítenek, ezért ez az adszorbeált víz a homokszemcséken megtapad, és némileg összeragasztja azokat. A pórusokat továbbra is levegő tölti ki, a víz csak a homokszemek felületén terül szét. Ez a vízréteg a szemcsék egymáson való elmozdulását akadályozza, kohéziót okoz, és a belső súrlódási szöget jelentősen megnöveli.
Emiatt van, hogy a nedves homok jól formázható, és függőleges falak is emelhetők belőle. A homokvárépítéshez ilyen anyag kell, és ezt nem is nehéz előállítani, csak vizet kell adni a homokhoz. Mivel a homokszemek a vízmolekulákhoz képest igen nagyok, a köztük lévő pórusok is nagyok és nyitottak, jól átjárhatók, ezért a felesleges víz magától kifolyik a homokból, és csak a szemcséken megtapadó rész marad.
Az agyagos iszapból készült hurka egyben marad (fent), a homokból gyúrt szétesik (lent)
A homok közismerten könnyen átengedi magán a vizet, csupán a térfogata 5-10 százalékának megfelelő mennyiség marad vissza benne kapillárisvíz és kötött víz formájában. De mi a helyzet akkor, ha a víz valamiért nem tud kifolyni a pórusokból? Nagyjából 40 százalék víztartalom felett a pórusok telítődnek vízzel. A víz nyomása ilyenkor semlegesíteni tudja a szemcsék közötti erőket, a súrlódás megszűnik, a belső súrlódási szög nagyon lecsökken, és az anyag folyadékként folyik. Ezt az állapotot előidézhetjük például egy pohárban, ha a benne lévő homokot bő vízzel felöntjük és összerázzuk. Ugyanez a jelenség megtörténhet földrengéseknél is. A rengések hatására a pórusokban lévő víz nyomása megnő, de a víz eltávozni nem tud, és bekövetkezik a talaj-cseppfolyósodás. A megfolyt homok sokszor kis homokvulkánok formájában a felszínre tör. Ilyen képződmények nagyobb földrengéseknél gyakoriak, megfigyelték őket például az 1911-es kecskeméti és az 1956-os dunaharaszti földrengésnél is. A folyós talajnak nincs szilárdsága, akár egész házak is elmerülhetnek benne. Híres eset volt az 1964-es niigatai (Japán) földrengés, ahol több négyemeletes lakóépület is elmerült a talajba. A pórusvíz nemcsak földrengéseknél okozhat nagy károkat, hanem például nagy esőzések vagy árvizek esetén is. Tipikus árvízi jelenség a buzgár. Az még önmagában nem tragédia, ha a gát alatt szivárgó víz megjelenik a védett oldalon. Baj akkor van, amikor a víz a finomabb, iszapos összetevőket kimossa a talajból, és a nagyobb szemcsékre ható felhajtóerő megszünteti a szemcsék közötti súrlódást. Ilyenkor úgynevezett hidraulikus talajtörés következik be, ami a gát tönkremenetelét is okozhatja. Védekezni ellene a buzgárok elfogásával lehet. Az elfogott buzgárra ellennyomó medencét építenek, melyet vízzel töltenek fel. A medencében lévő víz nyomása ellensúlyozza a szivárgó víz nyomását, így a víz áramlása megszűnik. A legnagyobb és legküzdelmesebb magyarországi buzgár a tiszasasi volt 2000-ben. Itt többször megismétlődött a talajtörés, és fiókbuzgárok törtek fel az eredeti buzgár körül. A buzgár elfogására egész ellennyomómedence-rendszert kellett kiépíteni homokzsákokból. Schütz Zoltán 2001-ben felavatott buzgáremlékműve ennek állít emléket Tiszasason.

A földrengéseket kísérő jellegzetes homokvulkánokból megfolyósodott talaj tör a felszínre
A tiszasasi buzgár (2000)
Mind a két jelenséget könnyen kipróbálhatjuk mi magunk is. Tegyünk egy vödörbe körülbelül félig-kétharmadrészig homokot, és öntsük fel vízzel! Keverjük meg, hogy az egész megfelelően vizes legyen, majd hagyjuk leülepedni. A megállapodott homok felszíne megtart egy ökölnyi követ is, ha rátesszük. Ha a vödröt rázogatni, ütögetni kezdjük, mintha földrengés lenne a vödörben, akkor a homok fellazul, és a kő elmerül. Ha slagot vezetünk a vödör fenekére, és a slagon át lassan áramló vizet vezetünk a vödörbe, akkor is elmerül a kő, mert az áramló víz fellazítja a homokot. Miközben ezzel játszadozunk, jusson eszünkbe, hogy hidraulikus talajtörés okozta a kolontári gátszakadást is!



Hozzászólások