Một xô cát khô trông đầy tới miệng vẫn còn đổ thêm được nước, vì giữa các hạt cát có vô số khe hở chứa không khí. Với cát khô, khe hở chiếm khoảng 30–40% thể tích xô; với sỏi, gạo, đậu cũng ở mức tương tự. Tỷ lệ đó gọi là độ rỗng, đo được ở nhà chỉ bằng một cốc nước, và nó giải thích vì sao trộn cát với đá thì chặt hơn từng thứ riêng lẻ.
Vì sao xô cát đầy vẫn đổ thêm được nước?
Các hạt cát, hạt sỏi có hình dạng cứng, không biến dạng để lấp kín chỗ của nhau. Hai hạt tròn đặt cạnh nhau chỉ chạm nhau ở một điểm, xung quanh điểm chạm là khoảng trống. Cả xô cát là hàng triệu hạt như vậy, hàng triệu khoảng trống nhỏ nối với nhau thành một mạng rỗng chằng chịt.
Nước len được vào mạng rỗng đó, đẩy không khí ra. Rót nước vào xô cát khô, sẽ thấy bọt khí sủi lên một lúc, rồi nước dâng dần tới mặt cát. Lượng nước rót vào được chính là thể tích của các khoảng trống.
Cho nên khi nói "một xô cát", thực ra đang nói "một xô gồm cát và không khí". Thể tích bản thân các hạt cát chỉ chiếm khoảng sáu, bảy phần mười xô.
Độ rỗng là gì và các vật liệu quen có độ rỗng bao nhiêu?
Độ rỗng là tỷ lệ phần trống trên tổng thể tích của một đống vật liệu. Độ rỗng 35% nghĩa là trong 100 lít đống vật liệu, có 35 lít là khe hở. Các số dưới đây là khoảng thường gặp, tuỳ cỡ hạt và cách đổ:
| Vật liệu | Độ rỗng khoảng | Ghi chú |
|---|---|---|
| Cát khô hạt đều | 30–40% | Cát càng đều cỡ càng rỗng |
| Sỏi, đá dăm một cỡ | 30–45% | Đá góc cạnh đổ lỏng rỗng hơn sỏi tròn |
| Cát trộn sỏi | 20–30% | Cát lấp khe sỏi nên chặt hơn |
| Gạo trắng | khoảng 40% | Hạt dài, đổ lỏng |
| Đậu xanh, đậu nành | khoảng 35–40% | Hạt gần tròn |
| Đất trồng tơi xốp | 40–60% | Khe rỗng giữ khí và nước cho rễ |
Độ rỗng của một đống hạt luôn phụ thuộc cách đổ. Đổ nhẹ tay thì lỏng, gõ hoặc lắc thì các hạt trượt vào chỗ trống và đống hạt chặt lại. Toán học về xếp hạt chặt nhất là một chủ đề riêng khá sâu; ở đây chỉ cần biết con số ngoài đời nằm trong khoảng một phần ba.
Bi to và bi nhỏ, lọ nào rỗng hơn?
Câu đố này làm nhiều người đoán sai. Đổ đầy một lọ bằng bi ve to, một lọ cùng cỡ bằng bi nhỏ (miễn bi vẫn nhỏ hơn nhiều so với lọ). Lọ nào nhiều khoảng trống hơn?
Trả lời: gần như bằng nhau. Khe hở giữa bi to thì to, nhưng ít khe; khe giữa bi nhỏ thì nhỏ, nhưng nhiều khe. Khi các hạt có cùng hình dạng và cùng cỡ với nhau, phần trăm khoảng trống không phụ thuộc hạt to hay nhỏ. Chỉ sát thành lọ và đáy lọ thì hạt to để lại nhiều chỗ hổng hơn một chút.
Điều thật sự làm giảm độ rỗng là trộn nhiều cỡ hạt. Hạt nhỏ chui vào khe giữa hạt to, khe giữa hạt nhỏ lại được hạt nhỏ hơn nữa lấp vào. Đó là bí quyết của mọi thứ cần đặc chắc.
Vì sao trộn cát với đá thì chặt hơn?
Thử ở nhà với một lọ thuỷ tinh: đổ đầy sỏi to tới miệng. Lọ "đầy" nhưng vẫn đổ thêm được cát mịn, cát lọt xuống lấp các khe giữa sỏi. Lọ "đầy" lần nữa nhưng vẫn rót thêm được nước. Cùng một lọ, chứa được cả ba thứ.
Ngành xây dựng dựa vào chính điều này khi trộn bê tông: đá dăm làm bộ khung, cát lấp khe giữa đá, hồ xi măng lấp khe giữa cát và bọc dính mọi thứ. Cấp phối tốt là phối hợp các cỡ hạt sao cho khe hở còn lại ít nhất, nhờ vậy cần ít xi măng hơn mà bê tông vẫn đặc. Tỷ lệ cụ thể cho từng mác bê tông do kỹ sư tính theo vật liệu thực tế, không có một con số dùng chung cho mọi công trình.
Trong nhà, cùng nguyên lý đó: thùng đựng đồ khô xếp xen đồ to đồ nhỏ thì chứa được nhiều hơn xếp riêng từng loại.
Mua cát theo khối: cát ẩm và cát khô khác nhau ra sao?
Có một hiện tượng ít người biết: cát hơi ẩm chiếm chỗ nhiều hơn cát khô. Một lớp nước mỏng bọc quanh mỗi hạt cát làm các hạt dính và đẩy nhau ra, không trượt sát vào nhau được. Với độ ẩm vài phần trăm, cùng một lượng cát có thể nở thể tích thêm tới khoảng 20–30%, cát mịn nở nhiều hơn cát thô. Khi ngập nước hoàn toàn, lớp nước bao quanh mất đi, cát lại lún xuống gần như thể tích khô.
Hệ quả khi mua vật liệu xây dựng tính theo mét khối:
- Một khối cát ẩm đong trên thùng xe có thể chứa ít "cát thật" hơn một khối cát khô.
- Cát chở đường dài bị rung, xe tới nơi thường thấy cát lún xuống thấp hơn lúc xúc lên.
- Khi trộn vữa, bê tông theo thể tích, thợ có kinh nghiệm thường tính bù cho độ ẩm của cát.
Đây không phải chuyện gian lận, mà là đặc tính của vật liệu rời. Biết trước để khi nhận hàng hiểu vì sao đống cát "không như lúc đầu".
Tự đo độ rỗng bằng cốc nước
Dụng cụ: một cốc trong có vạch (hoặc chai nhựa đã biết dung tích), một cốc đong nước, vật liệu khô cần đo (sỏi rửa sạch phơi khô, cát khô, đậu).
- Đổ vật liệu khô vào cốc tới đúng một vạch, chẳng hạn 400 ml. Gạt phẳng mặt, không lèn.
- Đong sẵn 300 ml nước trong cốc đong.
- Rót nước từ từ vào cốc vật liệu cho tới khi mặt nước vừa chạm mặt trên của lớp hạt. Gõ nhẹ để bọt khí thoát ra, thêm nước nếu mực tụt.
- Xem cốc đong còn bao nhiêu. Nếu đã rót mất 140 ml, độ rỗng là 140 ÷ 400 = 35%.
Lưu ý: với vật liệu hút nước (gạo, đậu, đất), phải làm nhanh và đọc ngay, vì hạt hút nước sẽ làm kết quả to hơn thật. Gạo, đậu đã đổ nước dùng để đo thì nấu luôn hoặc bỏ, đừng phơi lại cất chung. Cát, sỏi thì để ráo rồi dùng tiếp được.
Làm thêm một lần với cùng cốc vật liệu nhưng gõ đáy cốc mười lần trước khi rót nước, sẽ thấy độ rỗng giảm vài phần trăm. Đó là thí nghiệm nhỏ về đổ lỏng và đổ chặt.
Khoảng rỗng có ích ở đâu?
- Đất trồng cây: khoảng rỗng giữ không khí và nước cho rễ. Nén đất trong chậu quá chặt làm rễ thiếu khí, nước đọng lại. Trộn thêm vật liệu thô như xơ dừa, trấu hun giúp đất tơi.
- Lớp lọc nước: bình lọc kiểu thủ công xếp sỏi to, sỏi nhỏ, cát, than theo lớp. Khe rỗng cho nước chảy qua, hạt giữ cặn lại. Nước lọc kiểu này vẫn phải đun sôi hoặc xử lý trước khi uống.
- Nền thoát nước: lớp đá dăm dưới sân, dưới chậu cây lớn tạo đường cho nước thấm đi nhờ độ rỗng cao.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao xô cát đầy vẫn đổ thêm được nước?
Giữa các hạt cát có nhiều khe hở chứa không khí, chiếm khoảng 30–40% thể tích xô. Nước len vào các khe đó và đẩy không khí ra nên vẫn rót thêm được.
Độ rỗng là gì?
Độ rỗng là tỷ lệ phần khe trống trên tổng thể tích của một đống vật liệu rời. Độ rỗng 35% nghĩa là cứ 100 lít đống vật liệu thì có 35 lít là khoảng trống.
Vì sao trộn cát với đá thì chặt hơn?
Hạt cát nhỏ chui vào khe giữa các viên đá to, lấp bớt khoảng trống. Trộn nhiều cỡ hạt luôn cho hỗn hợp đặc hơn từng loại riêng lẻ, đó là nguyên lý của cấp phối bê tông.
Cát ẩm có chiếm nhiều thể tích hơn cát khô không?
Có. Cát hơi ẩm có thể nở thể tích thêm khoảng 20–30% vì lớp nước mỏng quanh hạt làm các hạt đẩy nhau ra. Khi ngập nước hẳn, cát lại lún về gần thể tích khô.
Bi to hay bi nhỏ để lại nhiều khoảng trống hơn?
Nếu bi cùng hình dạng, cùng cỡ với nhau và nhỏ hơn nhiều so với lọ, phần trăm khoảng trống gần như bằng nhau. Chỉ khi trộn nhiều cỡ bi thì khoảng trống mới giảm rõ.
