Als je wilt begrijpen waarom sommige zandkastelen hoog zijn en ingewikkelde structuren hebben, terwijl andere bijna vormeloze brokken zand zijn, helpt het om een ​​achtergrond in geotechnische engineering te hebben.

Als docent geotechnisch ingenieur gebruik ik zandkastelen in de klas om uit te leggen hoe interacties van bodem, water en lucht het mogelijk maken om landschappen te herbouwen na het delven van metalen die essentieel zijn voor de energietransitie.

Een zandkasteel bouwen komt neer op de juiste mix van die drie ingrediënten. Zand zorgt voor de structuur, maar het is water tussen de zandkorrels dat zorgt voor de kracht - in dit geval zuigkracht - die het zand bij elkaar houdt. En zonder de juiste hoeveelheid lucht zou het water de zandkorrels gewoon uit elkaar duwen.

Niet zomaar zand

Volgens het Unified Soil Classification System van ASTM International zijn zandkorrels gronddeeltjes met een diameter van 0,003 inch (0,075 mm) tot 0,187 inch (4,75 mm). Zand heeft per definitie ten minste de helft van zijn deeltjes in dat bereik. Slib of klei is grond met deeltjes kleiner dan zand. En grond met deeltjes groter dan zand is grind.

De grootte van deeltjes, of korrels, bepaalt ook hoe zand eruitziet en aanvoelt. De kleinste zandkorrels hebben een textuur die bijna op poedersuiker lijkt. De grootste korrels lijken meer op kleine droge linzen.

Het meeste zand is geschikt voor het bouwen van een zandkasteel, maar het beste zand heeft twee kenmerken:zandkorrels in verschillende maten en korrels met hoekige of ruwe randen. Door variatie in korrelgrootte kunnen kleinere zandkorrels de zakken of poriën tussen de grotere zandkorrels vullen. Het resultaat is een verhoogde zandsterkte.

Zandkorrels die hoekiger zijn, met scherpe hoeken erop, sluiten beter aan elkaar, waardoor het zandkasteel sterker wordt. Het is dezelfde reden waarom een ​​stapel hoekige houten blokken in een stapel blijft, maar een stapel knikkers gaat overal naartoe.

Dit is ook de reden waarom, verrassend genoeg, het beste zand voor zandkastelen niet typisch wordt gevonden op een eiland of een kuststrand. Meer hoekige zandkorrels worden meestal dichter bij bergen, hun geologische bron, gevonden. Deze zandkorrels zijn nog niet afgerond door wind en water. Professionele zandkastelenbouwers gaan zelfs zo ver dat ze rivierzand importeren voor hun creaties.

Ten slotte, hoe dichter de zandkorrels bij elkaar staan, hoe sterker het zand zal zijn. Door nat zand stevig samen te drukken, door verdichting of aanstampen, worden zandkorrels samengedrukt, waardoor de poriën kleiner worden en het effect dat water kan hebben groter wordt. Verdichting verhoogt ook de korrelvergrendeling en bijgevolg de zandsterkte.

Water is de sleutel

Zonder water vormt zand gewoon een hoopje. Te veel water en zand stromen als vloeistof. Maar tussen droog zand en verzadigd zand ligt een breed scala aan vochtniveaus die het bouwen van zandkastelen mogelijk maken.

Water is samenhangend, wat betekent dat water graag aan water blijft plakken. Maar water kleeft ook aan bepaalde oppervlakken of klimt omhoog. Kijk naar een halfvol glas water en je zult zien dat het water aan de binnenkant van het glas een beetje omhoog gaat. De zwaartekracht houdt het water nog steeds in het glas, maar het water probeert omhoog te klimmen en het oppervlak nat te maken. Deze kleine machtsstrijd maakt zandkastelen mogelijk.

Waar de lucht en het water elkaar ontmoeten, is er oppervlaktespanning. De lucht-waterinterface trekt naar beneden en probeert het water bij elkaar te houden tegen de concurrerende krachten van oppervlaktebevochtiging, cohesie en zwaartekracht. Oppervlaktespanning trekt het water samen als de strakke huid van een ballon. En oppervlaktespanning trekt ook zandkorrels samen.

Als het glas veel dunner was, zoals een rietje, zou het water hoger stijgen en meer oppervlaktespanning hebben. Hoe smaller het rietje, hoe hoger het water zou stijgen. Dit fenomeen wordt capillariteit genoemd.

Water gedraagt ​​zich op dezelfde manier in nat zand. De poriën, of ruimtes, tussen de zandkorrels zijn als een bosje zeer kleine rietjes. Water vormt kleine bruggen tussen de korrels. Het water in deze bruggen staat onder spanning en trekt de korrels samen door een kracht die geotechnische ingenieurs zuigspanning noemen.

Net genoeg water

De hoeveelheid water in het zand bepaalt de grootte en sterkte van de waterbruggen. Te weinig water staat gelijk aan bruggetjes tussen de zandkorrels. Meer water, en de grootte en het aantal bruggen groeit, waardoor de zuigkracht die de zandkorrels bij elkaar houdt toeneemt. Het resultaat is perfect zandkasteelzand.

Te veel water en de zuigkracht is te zwak om het zand bij elkaar te houden.

Een algemene vuistregel voor het bouwen van grote zandkastelen is één deel water voor elke acht delen droog zand. Maar onder ideale omstandigheden in een laboratorium, met dicht zand en geen verdamping, kan een deel water op elke honderd delen droog zand wonderen doen. Op een strand ligt zand met de juiste vochtigheidsgraad bij laag water in de buurt van de vloedlijn.

Overigens kan zout uit zeewater ook een zegen zijn voor de stabiliteit van zandkastelen. Capillaire krachten houden zandkorrels aanvankelijk bij elkaar, maar capillair water zal uiteindelijk verdampen, vooral op een winderige dag. Als zeewater opdroogt, blijft er zout achter. Omdat het zeewater bruggen vormde tussen de korrels, kristalliseert het zout op deze contactpunten. Op deze manier kan zout een zandkasteel overeind houden lang nadat het zand is opgedroogd. Maar pas op dat u het zoutgebonden zand niet verstoort; het is broos en opvouwbaar.

Om een ​​sterk zandkasteel te bouwen, compact zand en een beetje water zo strak als je kunt. Ik geef er de voorkeur aan om een ​​dichte heuvel te creëren en dan weg te scheppen en weg te snijden om de kunst binnenin te onthullen. Je kunt het zand ook in emmers, bekers of andere vormen verdichten en vanaf de grond opbouwen. Zorg er wel voor dat u het zand dicht krijgt en plaats de mal op een verdichte ondergrond. Handen zorgen voor zowel een geweldig verdichtings- als snijgereedschap, maar een schop of een zeeschelp zorgt voor meer precisie. Veel plezier en wees niet bang om zanderig te worden! + Verder verkennen

Waar komt het zand op Mars vandaan?

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.