水分含有量

土質力学および石油工学では、水の飽和度または飽和度、${\displaystyle S_{w}}$は次のように定義されます。

${\displaystyle S_{w}={\frac {V_{w}}{V_{v}}}={\frac {V_{w}}{V\phi }}={\frac {\theta }{\phi }}}$

どこ${\displaystyle \phi =V_{v}/V}$多孔度とは、空隙または細孔空間の体積を表すものです。${\displaystyle V_{v}}$物質の総量${\displaystyle V}$S _wの値は0 (乾燥) から 1 (飽和) の範囲をとります。実際には、S w_が0 または 1 になることはなく、これらは工学的な用途における理想化された値です。

正規化された水分含有量、${\displaystyle \Theta }$（有効飽和とも呼ばれる）${\displaystyle S_{e}}$）は、 van Genuchten ^{[ 3 ]}によって次のように定義された無次元値です。

${\displaystyle \Theta ={\frac {\theta -\theta _{r}}{\theta _{s}-\theta _{r}}}}$

どこ${\displaystyle \theta }$は体積含水率です。${\displaystyle \theta _{r}}$は残留水分含有量であり、勾配が${\displaystyle d\theta /dh}$ゼロになり、${\displaystyle \theta _{s}}$は飽和含水率であり、多孔度に相当します。${\displaystyle \phi }$。

水分含有量は乾燥オーブンを用いて直接測定することができる。 オーブン乾燥法では、土壌や木材などの試料を専用のオーブンや窯で乾燥させ、一定時間間隔で試料の重量を測定します。乾燥が完了したら、試料の重量を乾燥前の重量と比較し、その差から試料の元の含水率を算出します。

重量含水率uは水の質量から計算される^{[ 4 ]}${\displaystyle m_{w}}$:

${\displaystyle m_{w}=m_{\text{wet}}-m_{\text{dry}}}$

どこ${\displaystyle m_{\text{wet}}}$そして${\displaystyle m_{\text{dry}}}$は、オーブンで乾燥させる前と後の試料の質量です。これにより、 uの分子が得られます。分母は、${\displaystyle m_{\text{wet}}}$または${\displaystyle m_{\text{dry}}}$（分野によって、それぞれu'またはu"となる）

一方、体積含水率θは、水の体積から計算される^{[ 5 ]。}${\displaystyle V_{w}}$:

${\displaystyle V_{w}={\frac {m_{w}}{\rho _{w}}}}$

どこ${\displaystyle \rho _{w}}$は水の密度です。これにより、 θの分子が得られます。分母は、${\displaystyle V_{\text{wet}}}$は湿った材料の総量であり、サンプルを採取する際に既知の容量の容器（例えば、ブリキ缶）を満たすことで単純に決定されます。

木材の場合、慣例として、水分含有量はオーブン乾燥基準で報告されます（つまり、一般的には試料を105℃に設定したオーブンで24時間、または重量減少が止まるまで乾燥させます）。木材の乾燥において、これは重要な概念です。

試料の水分含有量を測定するその他の方法としては、化学滴定（例えばカールフィッシャー滴定）、加熱による質量減少の測定（不活性ガス存在下での測定など）、凍結乾燥後の測定などがある。食品業界では、ディーン・スターク法も一般的に用いられている。

ASTM（米国材料試験協会）規格年鑑によると、骨材（C 566）の総蒸発性水分含有量は、次の式で計算できます。

${\displaystyle p=100{\frac {W-D}{D}}}$

どこ${\displaystyle p}$は試料の全蒸発性水分含有量の割合であり、${\displaystyle W}$は元のサンプルの質量であり、${\displaystyle D}$乾燥試料の質量です。

上記の直接法および実験室法に加えて、以下の選択肢も利用可能です。

上記の主要な方法に加えて、木材の含水率を測定する別の方法として、電子式水分計があります。水分計には、ピン式と非ピン式の2種類があります。

ピン式水分計は、木材の表面に2本のピンを打ち込む際に、ピンが木目に沿って垂直に打ち込まれないように注意する必要があります。ピン式水分計は、2本のピン間の電流抵抗を測定することで水分含有量を算出します。木材の繊維飽和点以下の水分量を測定する場合、木材が乾燥しているほど電流抵抗が大きくなります。ピン式水分計は、測定に使用できる平らな木材表面がない場合に一般的に使用されます。

非接触式水分計は、木材に電磁信号を発信して木材の含水率を測定するもので、木材表面への損傷が許容できない場合や、大量の測定が必要な場合、あるいは使いやすさが求められる場合に一般的に好まれます。

土壌科学、水文学、農業科学において、水分含有量は地下水涵養、農業、土壌化学において重要な役割を果たしている。近年の多くの科学的研究は、空間的および時間的な水分含有量の予測的理解を目指してきた。観測結果から、一般的に、半乾燥地域では全体的な湿潤度が増加するにつれて水分含有量の空間的変動が増加し、湿潤地域では全体的な湿潤度が増加するにつれて減少し、温帯地域では中間的な湿潤度条件下でピークに達する傾向があることが明らかになっている。^{[ 9 ]}

日常的に測定・使用される標準的な含水率は4種類あり、以下の表に示されています。

そして最後に、利用可能な水分量θa_は、以下と同等です。

θ _a ≡ θ _fc − θ _pwp

これは砂利では0.1、泥炭では0.3の範囲になります。

• オーブン乾燥（OD）とは、骨材のどの部分にも水分が全く含まれていない状態を指します。この状態は、骨材を一定時間220  °F（105 °C）に加熱することで実験室で実現できます。 ^{[ 11 ]} 
• 空気乾燥（AD）とは、骨材の表面は乾燥しているものの、骨材の細孔内に水分または湿気が存在する状態を指します。これは、夏季や乾燥地帯における骨材の自然な状態です。この状態では、骨材は表面に添加された他の材料から水分を吸収し、骨材の特性に何らかの影響を与える可能性があります。^{[ 11 ]}
• 飽和表面乾燥（SSD）とは、粒子表面が「乾燥」している（つまり、添加された混合水を吸収せず、また、粒子が含有する水を混合物に供給しない^{[ 11 ]}）が、粒子間の空隙が水で飽和している骨材の状態と定義される。この状態では、骨材は複合材料の自由水含有量に影響を与えない。^{[ 12 ] [ 13 ]}

質量による吸水量（A _m）は、飽和表面乾燥試料の質量（M _ssd）とオーブン乾燥試験試料の質量（M _dry）を用いて、次の式で定義される。

${\displaystyle A={\frac {M_{ssd}-M_{dry}}{M_{dry}}}}$

• 湿潤（または濡れた）とは、骨材の細孔を通して水が完全に骨材に浸透し、表面にSSD条件を超える自由水が存在し、それが混合水の一部となる状態と定義される。^{[ 11 ]}

骨材のこれら 4 つの水分状態のうち、飽和表面乾燥状態は、特にコンクリートなどの材料の吸水率、組成比、または収縮試験に関連する実験室実験、研究、調査において最も多く使用されている状態です。多くの関連実験では、飽和表面乾燥状態は実験前に実現しなければならない前提条件です。飽和表面乾燥状態では、骨材の含水量は比較的安定した静的な状態にあり、周囲の環境の影響を受けません。したがって、骨材が飽和表面乾燥状態にある実験や試験では、他の 3 つの状態よりも妨害要因が少なくなります。^{[ 14 ] [ 15 ]}