Toprağın Mekanik Yapısı

1. Tekstür tanımı

Üç faz’lı bir sistem olan toprağın mekanik bileşimi, toprak kitlesinin en büyük kısmını oluşturan mineral unsurları içeren ve toprağın değişmeyen sabit özelliklerini gösteren kısımdır ve genel olarak Tekstür (bünye) terimi ile ifade edilir. Toprak tekstürü; bir toprağın içerisinde bulunan farklı boyutlardaki toprak taneciklerinin yüzdesel oranı olarak ifade edilir.

Toprağın mineral parçacıkları boyut, şekil, yoğunluk ve kimyasal bileşimlerine göre ayrı ayrı sınıflandırılabilir. Fakat mekanik yapı özelliklerine göre sınıflandırmada sadece toprak parçacıklarının boyutları temel alınır.

Gene olarak 2 cm’den daha büyük boyutlardaki materyaller “taşlar” olarak ayrılır. 2 cm ile 2 mm büyüklük sınırları arasındaki materyal ise “çakıl” olarak sınıflandırılır. 2 mm den küçük toprak kısmına ise “ince toprak” adı verilir ve toprağın fiziksel, kimyasal,mikrobiyolojik ve verimlilik özellikleri üzerine doğrudan etkili olan bu kısım kum, mil ve kil olmak üzere üç fraksiyona ayrılır.

2. Toprak mekanik fraksiyonlarinin siniflandırılması

2 mm den küçük ince toprak kısmının, değişik ulusal ve uluslar arası kuruluşlara göre farklı çap boyutlarında fraksiyonlara ayrılmaktadır.

Aşağıdaki cetvellerde bugün kullanılan başlıca sınıflandırma sistemleri verilmektedir.

Çizelge 2.1. : Toprak Fraksiyonlarının Farklı Sistemlere Göre Sınıflandırılması



Her üç sınıflandırma sisteminde de görüldüğü gibi, kum ve mil fraksiyonlarının boyut sınırları ve kendi içerisindeki alt fraksiyon büyüklükleri farklı olmakla birlikte, killerin büyüklük sınırı alıp 0.002 mm’den başlamaktadır. Alt ayrım sınırı olarak killerde, kaba kil 0.002-0.0002 mm (2-0.2 mikron) ve ince kil veya kolloidal kil 0.0002 mm (0.2 mikron)’den küçük olmak üzere 2 alt sınıfa ayrılmaktadır. Kolloidal kelimesi normal gözle görülemeyen ve gözlenemeyen cisimlerin boyutlarını belirlemekte kullanılır.

Başlıca toprak fraksiyonlarını oluşturan kum,mil ve kil tanecikleri, toprağın çimentolayıcı maddeleri olan organik madde (humus), Fe-oksitleri, Al-oksitlerini ve Si-oksitlerinin çimentolayıcı etkisi ile sekonder toprak tanecikleri dediğimiz agregatlar halinde birleşmişlerdir. Çimentolayıcı maddelerinin etkisinin giderilmesi ve dispersiyon sağlayıcı kimyasal çözeltiler yardımıyla su içerisinde dispers edilen sekonder toprak tanecikleri çeşitli boyutlardaki primer toprak taneciklerine veya teksel tanelere ayırırlar. Bu teksel taneciklere Fraksiyon, Tekstürel separat veya mekanik separat adı verilir.

Toprak içerisinde bulunan değişik çaplı tekstürel separatların (kum,mil,kil) fiziksel, kimyasal, minerolojik özellikleri birbirinden farklıdır. Özellikle bu taneciklerin çap büyüklükleri, fiziksel ve kimyasal özellikleri veya aktiviteleri üzerinde en etken faktördür. Oldukça iri boyutlu olan kumlar fiziksel ve özellikle kimyasal yönden inaktiftirler. Bu nedenle kumlara toprak fraksiyonlarının iskeleti denir. Kimyasal bileşimleri yönünden de genellikle fazlaca kuvars (SiO2) içerirler.

Toprak fraksiyonlarının en aktif kısmı killerdir. Kimyasal yapıları yönünden alümino silikatlardan ibaret, sekonder mineraller olan toprak killeri fiziksel ve kimyasal yönden toprağın en aktif reaksiyonunu oluştururlar.

Mil fraksiyonu aktivite yönünden genellikle kumlar ile killer arasında yer alır ve değişik primer minerallerin karışımında oluşur.

Farklı özelliklere sahip fraksiyonların toprak kitleleri içerisinde değişik oranlarda bulunması farklı tekstürel özelliklere sahip toprakların oluşmasına neden olur. Aynı mekanik yapıya sahip oldukları halinde farklı şekilde çimentolanmış ve değişik toprak kümeleri oluşturmuş topraklarda bile farklı özellikler görülebilir. Burada etken olan farklı özellikler ise mekanik yapıdan çok toprağın strüktürel özellikleri diğer bir değişle tekstürel seperatların istiflenme biçimiyle ilgilidir.

3.Tekstür sınıfları

Toprağın kum, mil ve kil fraksiyonlarının toprak içerisinde farklı bulunuş oranlarına bağlı olarak çok çeşitli bünye sınıfları ortaya çıkar.

Toprağın % kum % mil ve % kil ağırlık oranlarına bağlı olarak oluşturulmuş çizelgesi (çizelge 1.2)’de görülmektedir.

Topraklar, kum, mil ve kil fraksiyonlarının % ağırlıklarına göre başlıca 12 sınıfa ayrılmışlardır. Bu sınıflandırma sistemi tüm dünyada ve ülkemizde aynen kabul edilmiş bir sistemdir. Bu sisteme bağlı olarak hakim olan toprak fraksiyonunun boyut (büyüklük) durumuna göre de bir sınıflandırmaya tâbî tutulmuş olup pratikte uygulanan bu sınıflandırma sistemi de çizelge 1.3’ de görülmektedir.



4.Tekstürün diğer toprak özellikleriyle ilişkisi

Kum, mil ve kil fraksiyonlarının oransal artış veya azalışları toprak bünye sınıflarını değiştirdiği gibi toprağın önemli özellikleri üzerinde de değişmeler meydana getirir.

Toprakta kil oranı arttıkça toprağın su tutma gücü artar, buna karşılık havalanması azalır, geç ısınır, biyolojik bakımdan inaktif hale gelir. Toprakta kum oranı arttıkça havalanma ve ısınma özellikleri düzelir, fakat su tutma kabiliyeti azalır, bitkiler su sıkıntısı çeker. Toprak bünyesi ile önemli toprak özellikleri arasındaki ilişkiyi aşağıdaki çizelgede görebiliriz.



Mutlak çayır ve mer’a arazileridir. Kimyasal özellikleri iyi,fiziksel özellikleri kötü olan arazilerdir. Tarım arazileri olarak en elverişli topraklardır. Fiziksel ve kimyasal özellikleri, kültürel önlemlerle her iki tarafa doğru değiştirilebilir. Mutlak orman arazileridir. Fiziksel özellikleri iyi, kimyasal özellikleri kötü olan topraklardır.

Toprak tekstürünün bilinmesi, toprağın birçok önemli özellikleri ve bunların bitki yetiştirme ile ilişkileri üzerinde çok yakından etkilidir. Bu önemli ilişkileri maddeler halinde şu şekilde sıralayabiliriz.

1. Suyun ve havanın toprağa girişi ve toprak içerisindeki hareketleri direkt olarak toprak tekstütüne bağlıdır.
2. Toprağın ısı geçirgenliği üzerine tekstürel yapının önemli etkisi vardır.
3. Suyun ve bitki besin maddelerinin toprakta depolanması ve bitkilere yarayışlılığı doğrudan toprak tekstürüne bağlıdır.
4. Toprakta oluşan fiziksel, kimyasal ve biyokimyasal olayların oluşum ve hızları üzerinde toprak tekstürü önemli etkiye sahiptir.
5. Toprak porozitesi, toprakların volüm ağırlık ve özgül ağırlıkları toprak tekstürüne bağlıdır.
6. Uygulanan ziraat sistemi (sulu-kuru ziraat) ve toprak işleme şekilleri üzerinde tekstürlerin önemli etkileri vardır.
7. Agregatlaşma ve toprak strüktür oluşumu üzerinde toprak tekstürü doğrudan etkilidir.
8. Toprakların bitki yetiştirmesine elverişli olabilme kabiliyeti yönünden değerlendirilmesinde tekstür önemli bir ayırım ölçüsüdür.

5. Tane büyüklüğü ve spesifik yüzey

Toprakta cereyan eden fiziksel,kimyasal ve fizikokimyasal olayların çoğu yüzey ya da ara yüzey olaylarıdır. Toprak taneciklerinin fiziksel ve kimyasal aktiviteleri üzerinde bunların çap ve büyüklükleri diğer bir değişle yüzey genişlikleri etkili olur. Toprak taneciklerinin çapı küçüldükçe yüzey genişlikleri artar, çap büyüdükçe yüzey genişliği azalır. Toprağın fiziksel ve kimyasal aktivitesini etkileyen toprak dispers sistemi içerisinde en aktif olan fonksiyon, kolloidal büyüklükteki kil tanecikleridir.

Bir dispers sistemin yüzey genişliği, özel yüzey birimi ile ifade edilir. Özel yüzey birimi veya özel yüzey alanı 1 gr veya 1 cm3 dispers fazın cm2 yüzey genişliği olarak ifade edilir.

6. Topraklarin mekanik analizi

Toprakların mekanik yapısı, en önemli fiziksel özellikleridir ve diğer fiziksel özelliklere etki etmektedir. Bu etkiyi saptayabilmek için topraklarda bulunan çeşitli boyutlardaki mineral taneciklerinin % miktarlarını bilmek, toprakların tane büyüklükleri dağılımın analiz etmek gerekir. Bunun için agregatları veya sekonder toprak taneciklerini teksel hale getirmek ve bu teksel taneleri de dispers ederek hassas bir şekilde birbirinden ayırmak gerekir. Toprağın mekanik analizinin yapılmasında yerine getirilmesinde yerine getirilmesi gereken en önemli işlem en yüksek derecede dispersiyonu sağlamak ve analiz sırasında bu dispersiyonu korumaktır. Yeterli bir toprak dispersiyonu sağlamasına engel olan faktörlerin etkisi mekanik analize hazırlama sırasında giderilmedikçe tam bir dispersiyon sağlamak mümkün değildir. Sekonder taneleri, primer tanelere dönüştürmek için toprakta bulunan kolloidal kil, kireç, organik madde, serbest Fe ve Al oksitleri gibi çimentolayıcı maddelerin etkisini ortadan kaldırmak gerekir.

6.1. Karbonatlarin (CaCo3) Giderilmesi

Karbonatların giderilmesinde seçilecek yöntem,toprağın serbest karbonat içeriğine bağlıdır.Az kireç içeren topraklarda, pH’sı 5 ‘ e ayarlı 1N sodyum asetat ile toprağın ısıtılarak karıştırılması, santrifüjlenmesi ve işlemin tüm karbonatlar parçalanıp Ca++ iyonu kalmayıncaya kadar sürdürülmesi gereklidir.

Diğer bir yöntem ise karbonatların HCl ile parçalanıp giderilmesidir. Genellikle fazla kireç içeren topraklarda (%10-20) bu yöntem tercih edilir. Üzerine saf su ilave edilmiş örneklere pH’sı 3,5-4 oluncaya kadar 1:3 HCl eriyiğinden bir pipet veya büret yardımıyla damla damla ilave edilir ve reaksiyonu bir pH-metre ile kontrol edilir. Daha sonra örnekler su banyosu üzerinde ısıtılıp, karıştırılarak reaksiyonun hızlanması sağlanır. Diğer işlemler ise aynen yukarıda verildiği şekilde yürütülür.

6.2. Organik maddenin oksidasyonu

Organik maddenin oksidasyonu için toprağın kuvvetli bir oksitleyici olan H2 O2 ile muamele edilmesi gerekir. Bu işlem yapılmadığı takdirde mekanik analizde önemli hatalar oluşur. Organik maddenin tahrip edildiği ve tahrip edilemediği toprak örneklerinin analizinde toprakların kil yüzdeleri bakımından dört kat farklı sonuçlar elde edileceği gözlenmiştir. Uluslar arası Toprak İlmi Derneği tarafından kabul edilen yöntemde H2 O2 ile toprakların organik maddesinin oksidasyonu hiçbir zararlı etki meydana getirmemekte, yan ürün olarak sadece H2 O ve CO2 açığa çıkmaktadır. Bunun için toprak örnekleri %30’luk H2 O2 ‘li H2 O içersinde kaynatılır ve bu kaynatma oksidasyon işlemi sona erinceye kadar devam eder.

6.3. Demir ve alüminyum oksitlerin giderilmesi

Bu maddelerin çimentolayıcı etkilerini ortadan kaldırmak organik maddenin oksidasyonuna göre daha güç bir işlemdir. Bunun için yapılan işlemlerde çeşitli reaksiyonların kimyasal olarak gidişi hemen hemen aynı olmakta ve üç değerli Fe-oksitlerin iki değerli demir bileşiklerine indirgenerek ortamdan uzaklaştırılmaktadır.

6.4. Kil tanelerinin rehidrasyonu

Topraklar orta derecede ıslak olduklarında kil tanecikleri bir su zarı ile çevrilidir. Dehidrasyon olayı meydana gelirken bu zar gittikçe incelir ve kil tanecikleri birbirleriyle çok güçlü kohezyon kuvvetleri ile bağlı duruma gelirler. Dehidrate olan kil kolloidleri bu nedenle topraklarda kuvvetli çimentolayıcı etki yaparlar. Dehidrate durumda olan toprak killerinin rehidrate duruma getirilmeleri, kolloid miktarına bağlı olarak oldukça yavaştır. Bu gibi agregatların dispersiyonu için killerin her tanesinin tekrar su zarı ile çevrilerek rehidrate duruma gelmesi gerekir. Hızlı bir rehidrasyon sağlamak için toprağı su içersinde kaynatmak, ezmek, karıştırmak gibi işlemler uygulanabilir. Bu mekanik işlemler uygulanmazsa topraklar belirli hacim suda belli bir süre tutmak gereklidir.

7. Mekanik analiz için toprağin dispersiyonu

Organik madde, serbest demir alüminyum oksitleri, kireç ve diğer kolloidal materyalin çimentolayıcı etkilerinin giderilmesi ve killerin rehidrasyonu yeterli bir dispersiyon için yeterli deyilidir. Yüksek bir dispersiyon sağlayabilmek için negatif elektrik yüküne sahip killerin yüzeyinde tutulan H+, Ca++, Mg++ gibi iyonların hidratasyon derecesine sahip olan bir değerlikli bir katyonla yer değiştirmesi diğer bir değişle,tanelerin yüzeyindeki elektrik potansiyeli belirli kritik bir seviyenin üzereinde tutmak suretiyle kümeleşmeye engel olmak gerekir.

7.1. Fiziksel işlemler

Dispersiyon elde etmede fiziksel metot ve işlemlerden ön işlem olarak faydalanılır. Çalkalama, karıştırma, kaynatma, ovalama, ezme ve yıkama gibi işlemlerden en çok faydalanılanlar çalkalama ve karıştırmadır. Yüksel devirli elektrikli karıştırıcı (16.000 devir/dk) cihaz 1-5 dakikalık zaman süresinde tam bir dispersiyon sağlar. Örneğin yüksek devirli karıştırıcı ile 10 dk’da elde edilen dispersiyon ancak 16 saat süren bir çalkalama sonucu elde edilir.

7.2. Kimyasal işlemler

Karıştırarak çalkalama işlemlerinin yanında sürekli dispersiyon için kimyasal işlemlerin de birlikte yürütülmesi gerekir. Kimyasal metotlar başlıca üç değişik prensip üzerine kurulmuşlardır. Bunlar, 1 organik materyalin oksidasyonu 2 kümeleştirici yolların ayrılması,3 negatif potansiyeli artırıcı iyonların ilavesi.

a) Asitlerde Yıkama

b) Erimeyen tuzlar halinde çöktürme

7.3. Toprak tanelerinin sedimantasyonu

Toprağın doğrudan bünye özelliklerini saptamak ve bu amaçla mekanik analizini yapmak üzere geliştirilmiş olan analiz yöntemlerinden hidrometre yöntemiyle; organik madde, kireç ve Fe ve Al oksitlerinin çimentolayıcı etkilerini gidermek için ön analiz işlemlerine başvurmadan, 2 mm’lik elekten geçirilmiş toprak örnekleri doğrudan analize alınır.

Toprağın zerre büyüklüğü dağılımı ve bazı özel mineralojik analizler amaçlandığı takdirde çimentolayıcı maddelerin etkilerinin mutlaka giderilmesi gerekir. Organik maddesi, kireci, demir ve alüminyum oksitleri giderilmiş olan mineral toprağın kum, mil ve kil fraksiyonları ile bu fraksiyonların alt fraksiyonlarına ayrılması işlemleri ıslak eleme, sedimantasyon silindiri (Atterberg şişesi ) ile çöktürme ve santrifüj ile ayırma gibi fiziksel işlemlerin uygulanmasını gerektirir.

Kum fraksiyonlarının ayrılmasında ıslak eleme yöntemi görülür. Mineral toprak süspansiyon halinde, elek çapları 2 mm ile 0.05 mm olan üst üste geçirilmiş elek takımının en üstündeki eleğe saf su yardımıyla boşaltılır ve bir su jeti yardımıyla yıkanır. Çok kaba kum, kaba kum, orta kum ve ince kum olarak ayrılır. 110 0C’de kurutulur, tartılır ve toprak içerisindeki % oranları bulunur. Elek takımının altındaki kaba süspansiyon halinde yıkanan mil ve kil fraksiyonlarıdır. Bir diğer yöntem, kum ve mil’in Atterberg yöntemiyle çöktürülerek kilden ayrılması yöntemidir. Bunun için, mineral toprak fraksiyonlarını içeren süspansiyon Atterberg şişesine boşaltılır. 20 cm işaretine kadar doldurulduğunda 16 saat, 10 cm işaretine kadar doldurulduğunda ise 8 saat bekletilerek kum ve mil çöktürülür, musluk açılarak süspansiyon halindeki kil bir beherglasa dekonte edilir. Bu işleme Atterberg şişesindeki kum+mil fraksiyonları üzerine ilave edilen saf su berrak duruma gelinceye kadar devam edilir. Ve dekonte edilen yıkama suları aynı kapta toplanır.

Atterberg şişesinde kalan kum+mil ise, pH’sı 9.5 olan Na2CO3 eriyiği ile 10cm yüksekliğe kadar ( 1cm toprak+9 cm su veya dispersiyon eriyiği ) doldurulur. Laboratuar sıcaklığında (20 0C) 4 dk 40 sn beklenir, musluk açılarak süspansiyonda bulunan mil 600 ml’lik bir beherglasa boşaltılır. Bu işleme süspansiyon berrak hale gelinceye kadar devam edilir ve beherglasda 20-2 mikron arasındaki orta mil ve ince mil toplanmış olur. Atterberg şişesinde kalan kum ve kaba mil fraksiyonları ıslak eleme yöntemiyle alınır. Elek takımının altındaki kaba yıkanması ve 50 mikronluk elekten geçen süspansiyonda kalan kaba mil suyu buharlaştırılarak kurutulut, tartılır ve toprak içerisindeki % oranı hesaplanır.

Mil ve kil fraksiyonlarının bulunduğu süspansiyon Atterberg şişeleri veya uzun form beherglaslara aktarılır, Stokes yasasına göre hesaplanmış farklı çökelme zamanlarında gravitasyonla çöktürülmek veya aynı yasa prensiplerine göre hesaplanmış santrifüzleme sürelereine göre çöktürülmek suretiyle mil ve kilin fraksiyonlara ayrılması işlemleri tamamlanır.

Gravitasyola çökelme zamanları, ince mil ve kaba mil fraksiyonları için oldukça uzun süre beklemek gerekir. Bu nedenle süreyi kısaltmak için santrifüjleme yöntemi tercih edilir. Bu yöntemle farklı boyutlardaki mil ve kil fraksiyonlarının çökelme zaman Stokes yasası prensiplarine göre, çökelme zamanları üzerine, özgül ağırlık, sıcaklık, santrifüj tüplerine, süspansiyon yüksekliği santrifüjün dakikadaki devir sayısı faktörleri etki eder.

Orta kilin çökelmesinden sonra dekonte edilen süspansiyon içerisindeki fraksiyon 0.08 mikrondan küçük ince kilden ibarettir. Süspansiyonun pH’sı 0.1 N HCl ile 3.5-4.5’e düşürülür. 2500 devir/dk ile santrifüjlenerek çöktürülür. Çöktürmede pH=5 olan NaOAC’da kullanılabilir. Çöktürülen ve ayrılan orta ve ince mil fraksiyonları ile kaba,orta ve ince kil fraksiyonları yıkanır,kurutulur ve tartılır. Toprak içerisindeki % oranları bulunur.

7.4. Stokes yasası

Toprağın mekanik analizlerine uygulanan analiz yöntemlerinin tümünde, ( eleme hariç ) farklı boyutlardaki toprak fraksiyonlarının, çap büyüklüklerine bağlı olarak, farklı çökelme zaman ve hızından yaralanılır. Süspansiyon içerisinde gravitasyon ile düşen tanenin yarı çapı ile düşme hızı arasındaki ilişki ise ilk defa STOKES isimli fizikçi tarafından ortaya konulmuştur. Stokes’e göre; bir sıvı içerisine düşmesine karşı koyan sıvı direnci küre şeklinde olan tanelerin yarıçaplarının, yerçekimi ivmesine ve sıvı ile tanenin yoğunlukları arasındaki farka bağlıdır. Stokes tarafından formüle edilen bu yasaya göre; “ bir sıvı içerisine düşen tanenin düşme hızı, sıvının viskozitesi ile ters, düşen tanenin yarıçapı ile doğru orantılıdır” .

Stokes yasası bazı temel varsayımlara dayanır. Bu varsayımlar şu şekilde sıralanabilir:

1. Taneler katı yapıda, yuvarlak şekilde ve düz yüzeyli olmalıdır. Fakat toprak fraksiyonlarında, küresel şekil ve düz yüzeylilik homojen olarak mevcut değildir. Bu nedenle yasadaki bu zorunluluk , “ekivalen yarıçap” veya “etkili yarıçap kullanılarak ortada kaldırılabilir. Ekivalen yarıçap veya etkili yarıçap; serbest su sütundan düşen bir tanenin düştüğü bir hızla düşen, aynı materyalden yapılmış küresel şekilli bir taneciğin yarıçapı.
2. Taneler, dispersiyon ortamı olarak sıvının moleküllerinden büyük olmalıdır. Ancak bu şekilde taneler brown (titreşim) hareketlerine maruz kalmadan serbestçe çökebilirler. Tanelerin brown hareketine maruz kalmalarını belirten büyüklük sınırı yaklaşık 0.002 mm’dir. Buna göre yer çekimi etkisiyle çok ince kum ve kaba kil büyüklük sınırları arasındaki fraksiyonlar çöktürülerek analizlenebilir. Santrifüjle çöktürme yolu ile de 0.00006 mm’ye kadar olan ince kil fraksiyonları brown hareketine uğramadan çöktürülebilir.
3. Sıvının bulunduğu kabın genişliği ve boyutları düşen tanelere etki etmeyecek boyutta olmalıdır.
4. Konsantrasyon da düşme hızına etki etmektedir. Sıvı:Katı oranı %5’ten fazla %3’ten az olmamalıdır.
5. Taneyle sıvı arasında sıvı olmamalıdır. Tanelerin rehidrasyonu ile etrafında oluşturulan su zarfı, sıvı ile katı taneler arasındaki sürtünmeyi en düşük düzeye indirmektedir.
6. Düşme hızı belirli bir kritik değerin üzerine çıkmamalıdır. Bu durumda tanenin düşmesine yalnızca sıvının viskozitesi engel olur.
7. Stokes yasasının mekanik analizinin uygulanmasında diğer önemli bir faktör sıcaklıktır. Düşme hızı sıvı ortamın viskozitesiyle ters orantılı olduğundan analiz sabit sıcaklık altında yapılmalıdır.
8. Toprak tanelerinin farklı yoğunluklarda oluşu Stokes yasasının uygulanmasına etki eden diğer önemli bir faktördür. Fakat bu engel, toprağın ortalama özgül ağırlığı:65gr/cm3 kabul edilir.