Địa kỹ thuật giải thích vì sao nước, không khí và cát tạo nên cấu trúc rắn

Nhiều nhà địa kỹ thuật trong giờ giảng thường giải thích những mối tương tác giữa đất, nước và không khí có thể làm điều gần như không thể là tái định hình cảnh quan sau khi các kim loại được khai thác tới mức tới hạn để phục vụ quá trình chuyển đổi năng lượng.

Xây dựng một lâu đài cát là việc có được một hỗn hợp chuẩn gồm ba thành phần đó. Cát cung cấp cấu trúc nhưng nước giữa các hạt cát có thể đem lại lực – trong trường hợp này là lực hút – để giữ các hạt cát với nhau. Và nếu không có khối lượng hợp lý không khí và nước thì có thể các hạt cát sẽ bị đẩy ra xa nhau.

Nhưng không phải bất cứ loại cát nào

Các hạt cát, theo tiêu chuẩn của Hệ thống phân loại đất không gắn kết (Cơ quan tiêu chuẩn quốc tế ASTM), là những hạt đất có đường kính khoảng 0,003 inch (tương đương 0,075 mm) đến 0,187 inch (4,75 mm). Cát, được định nghĩa, có ít nhất một nửa các hạt thuộc phạm vi kích thước này. Phù sa và đất sét trong đất với các hạt nhỏ hơn cả cát. Và đất với các hạt lớn hơn kích thước cát là sỏi.

Kích thước của hạt cũng được xác định theo cách cát trông như thế nào và được cảm nhận ra sao. Cac hạt cát nhỏ nhất có kết cấu giống như đường bột. Các hạt lớn nhất thi giống như hạt đậu lăng khô.

Phần lớn cát sẽ có thể được dùng để xây lâu đài cát nhưng những loại cát tốt nhất có hai đặc điểm: hạt cát trong nhiều kích thước khác nhau có các góc xù xì hoặc nhọn. Điều này làm gia tăng sức mạnh của cát.

Hạt cát có nhiều góc nhọn hơn thường kết hợp với nhau tốt hơn, khiến cho các lâu đài cát thêm kiên cố. Đò là nguyên nhân tương tự với cùng nguyên nhân khiến một đống gồm các khối gỗ có góc cạnh sẽ túm túm lại thành một đống vững chắc nhưng một đống gỗ thân tròn sẽ lăn đi khắp nơi.

Đó cũng là nguyên nhân giải thích tại sao, thật đáng ngạc nhiên, loại cát tốt nhất để xây lâu đài cát không thuộc dạng cát người ta vẫn thấy trên một hòn đảo hay bờ biển. Nhiều loại hạt cát góc cạnh thường được tìm thấy ở các ngọn núi, nguồn gốc địa chất của nó. Các hạt cát này còn chưa bị gió và nước làm tròn các góc của nó. Những người xây lâu đài cát chuyên nghiệp sẽ phải đi rất xa để lấy cát sông cho công trình sáng tạo của mình.

Cuối cùng sự gần hơn của các hạt cát khiến các hạt cát trở nên mạnh hơn. Ép chặt các hạt cát ướt khiến cát gắn kết chặt chẽ với nhau hơn, bằng cách nén chặt hoặc trộn, ép các hạt cát lại với nhau có thể làm giảm kích thước của các lỗ rỗng và cuối cùng làm tăng hiệu quả của lực hút mà nước có thể có.

Did you know that suction is one of the forces holding this sand sculpture together? Credit: El Coleccionista de Instantes Fotografía & Video/Flickr, CC BY-SA

Nước là yếu tố chính

Không có nước, cát chỉ có thể tụ thành một đống cát. Nếu có rất nhiều nước thì cát lại chảy trôi như một dạng chất lỏng nhưng nếu cát khô và cát và cát bão hòa với một phạm vi rộng độ ẩm có thể tăng cường cấu trúc chắc chắn của các lâu đài cát.

Nước có tính kết dính, nghĩa là nước thích gắn với nước. Nhưng nước cũng gắn vào một số loại bề mặt nhất định. Khi nhìn vào một cốc nước chỉ đầy một nửa, người ta sẽ thấy nước dâng lên bên trong cốc một chút. Trọng lực giữ nước ở lại trong cốc nhưng nước luôn có xu hướng “leo” lên và làm ướt mặt trong cốc. Cuộc tranh giành quyền lực nhỏ bé này là những gì khiến việc xây các lâu đài cát trở nên khả thi.

Đúng tại điểm không khí và nước giao thoa có sức căng bề mặt. Giao diện không khi – nước bị kéo xuống bên dưới và cố gắng giữ nước chống lại các lực cạnh tranh của bề mặt ướt, lực hút và trọng lực. Sức căng bề mặt kéo nước giống như lớp da căng của một quả bóng. Và sức căng bền mặt cũng đẩy các hạt cát lại với nhau.

Nếu lớp thủy tinh tạo thành cốc nước trở nên mỏng mảnh hơn, giống như vỏ trấu, nước có thể dâng cao hơn và tạo ra nhiều sức căng bề mặt hơn. Thủy tinh mỏng hơn vỏ trấu thì nước càng dâng lên cao hơn nữa. Hiện tượng này gọi là mao dẫn.

Nước hành xử theo cùng cách với cát ướt. Các lỗ rỗng, hay các không gian, giữa các hạt cát giống như một bó hạt trấu rất nhỏ. Nước hình thành nên những cây cầu tí hon giữa các hạt cát. Nước trong những cây cầu này đang chịu sức căng, kéo các hạt lại với nhau bằng một lực mà các nhà địa kỹ thuật gọi là ứng suất hút.

Chỉ cần đủ nước

Lượng nước trong cát và việc kiểm soát kích thước và sức mạnh của các cây cầu nước. Quá ít nước khiến ít cầu nước giữa các hạt cát với nhau hơn. Quá nhiều nước và kích thước, số lượng các cây cầu lớn hơn, gia tăng lực hút để giữ các hạt cát lại với nhau. Kết quả là thu được một lâu đài cát hoàn hảo.

Quá nhiều nước và lực hút quá yếu để giữ các hạt cát liên kết với nhau.

Có một quy tắc chung để xây các lâu đài cát lớn là dùng tám phần cát khô cùng một phần nước . Tuy nhiên, trong điều kiện lý tưởng trong phòng thí nghiệm, với lượng cát đậm đặc và không bay hơi, thì tỉ lệ khác là cứ một trăm phần cát khô thì một phần nước cũng có thể tạo ra những điều kỳ diệu. Tại bãi biển, cát với độ ẩm thích hợp thường nằm gần đường thủy triều lên khi thủy triều xuống.

Một cách tình cờ, muối từ cát biển muối từ nước biển cũng có thể giữ được sự ổn định của lâu đài cát. Lực mao dẫn ban đầu giữ các hạt cát lại với nhau, nhưng cuối cùng nước mao dẫn sẽ bay hơi, đặc biệt là vào những ngày có gió. Khi nước biển cạn đi, muối sẽ nằm lại trên bãi cát. Vì nước biển tạo thành cầu nối các hạt, muối được kết tinh tại những điểm tiếp xúc này. Theo cách đó, muối có thể giữ lâu đài cát đứng lâu sau khi cát khô. Nhưng hãy cẩn thận để không làm xáo trộn liên kết muối – cát; nó sẽ giòn và có thể sụp đổ.

Như vậy bí quyết để xây một lâu đài cát vững vàng, hãy nhớ nén chặt cát và dùng ít nước càng tốt. Các nhà địa kỹ thuật thích tạo một gò đất dày đặc, sau đó xúc một số đi và khắc lên phần còn lại để tạo ra một tác phẩm nghệ thuật. Ai đó cũng có thể nén cát vào xô, cốc hoặc các dạng khuôn mẫu khác và xây từ dưới mặt đất lên. Chỉ cần đảm bảo cát có độ đậm đặc cao và đặt trên nền đã được nén chặt. Bàn tay đích thực là cả một công cụ nén và điêu khắc tuyệt vời, tuy nhiên xẻng xúc hay thậm chí vỏ sò cũng sẽ đem lại độ chính xác cao hơn. Chúc bạn vui vẻ, và đừng sợ bị cát dính cát!