Физика_жидкой_части

21

Из эксикатора с тубусом выкачивают воздух водоструйным или масляным насосом до 150-160 мм давления; эксикаторы из хорошего стекла выносят и более низкое разрежение – 5-20 мм.

Внимание! При большом разрежении в целях безопасности следует надевать защитные очки, а эксикатор накрывать полотенцем.

При насыщении важно, чтобы температура была постоянной, резкие колебания температуры могут вызвать выпадение росы. Через 4-5 дней эксикатор открывают, быстро закрывают стаканчики крышками и взвешивают.

Вслучае вакуума прежде, чем открыть эксикатор, в него вводят воздух,

протягивая его через склянки Тищенко с 10 % H2SO4 с такой скоростью, которая позволяет считать пузырьки воздуха. После погашения вакуума эксикатор открывают и вынимают бюксы.

Вобоих случаях насыщение почвы ведут до постоянной массы или до тех пор, пока разница между предыдущим и последующим весом будет не более 0,005 г. Для расчета используют максимальную массу. Длительность насыщения от 2-3 недель до 1 месяца. После насыщения почву сушат 3 час, повторно сушат в течение 2 час. Если разница в массе не превышает допустимую, то сушку считают законченной.

Записи производят по форме, приведенной в таблице 3.

Таблица 3.

Форма записи при определении гигроскопической влажности почвы

Масса

Масса бюкса с крышкой

Название

Горизонт,

Номер

Масса

бюкса с

и высушенной почвой

Гигроскопическая

№

Дата

почвы,

глубина

бюкса/

бюкса с

крышкой

Рс, г

влажность

п/п

разрез

отбора

крышка

крышкой

и воздуш-

w, %

образца,

Рп, г

но-сухой

1-е

2-е

отдельной

средняя

м

почвой

взвешивание

взвешивание

пробы

Рв, г

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

На основании величины максимальной гигроскопической влажности вычисляют 1) влажность завядания, принимая переводной коэффициент 1.5; 2) удельную поверхность почвы по формуле:

(5.6)

22

ТЕМА 6. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТВЕРДОЙ И ЖИДКОЙ ФАЗ ПОЧВЫ

6.1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ

Ряд процессов, протекающих в почвах, определяется их физикомеханическими свойствами, которые проявляются при воздействии внешних нагрузок и подразделяются на деформационные, прочностные и реологические.

Деформационные свойства характеризуют поведение почв при нагрузках, не приводящих к их механическому разрушению. К ним относятся сжимае-

мость, просадочность, консолидация (уплотнение).

Прочностные свойства характеризуют поведение почв при нагрузках, вызывающих их разрушение - сдвиг, разрыв.

Реологические свойства характеризуют поведение почвы под давлением во времени. К ним относятся вязкость, пластичность, тиксотропность.

Понятие «физико-механические свойства» в почвоведении имеет более широкий диапазон применения, чем в механике, геологии, грунтоведении. Соответственно к физико-механическим, свойствам в почвоведении относят также набухание, усадку и липкость, т. е. свойства высокодисперсных систем, проявляющиеся без механических воздействий со стороны.

Изучение физико-механических свойств почв важно не только с позиций понимания механизмов физических процессов, протекающих в них, но имеет большое прикладное значение для сельского хозяйства. Физико-механические свойства определяют условия обработки почв, дают возможность получить количественную оценку энергетических затрат на их обработку и выбрать оптимальные сроки полевых работ, при которых в наименьшей степени деформируются почвы и обработка производится с наименьшими затратами горючего.

Кроме того, физико-механические свойства оказывают влияние на рост и развитие корневых систем растений. Поэтому понятен интерес к изучению этих свойств. Исследования ведут, с одной стороны, в целях изучения влияния фи- зико-механических свойств на работу машин и орудий, с другой стороны, - по выяснению влияния последних на почву.

6.2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 11-12. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ФИ- ЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ

6.2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛАСТИЧНОСТИ ПОЧВЫ

Способность почвы и грунта принимать приданную им во влажном состоянии форму и сохранять ее после прекращения внешнего воздействия назы-

вают пластичностью.

Переувлажненные и сухие почвы не обладают пластичностью. Она проявляется в определенном интервале увлажнения. Пластичность зависит от гра-

23

нулометрического и минералогического состава, а также от формы частиц, слагающих почву или грунт.

А. Аттерберг, изучая поведение системы «почва-вода» при разных соотношениях, выделил следующие константы: верхняя граница текучести - смесь глины с водой течет как вода; нижняя граница текучести - тесто почвы, будучи помещено в фарфоровую чашку и разделено на две половины шпателем, при ударе о внешнюю поверхность чашки рукой вновь сливается в единую массу; граница клейкости - влажность, при которой почва перестает прилипать к другим предметам; граница скатывания в шнур - при раскатывании почва распадается на отдельные кусочки.

Верхним пределом пластического состояния почвы служит влажность нижней границы текучести, нижним - влажность границы скатывания почвы в шнур. Величину пластичности измеряют числом пластичности, представляющим разницу в содержании воды в весовых процентах при нижней границе текучести и границе скатывания в шнур. В интервале увлажнения от нижней до верхней границы пластичности почва деформируется с сохранением приданной ей формы, максимально набухает, обладает слабым сопротивлением при внешнем механическом воздействии, при перекатывании по ней машин образуются колеи по ходу колес.

6.2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ТЕКУЧЕСТИ (МЕТОД АТТЕРБЕРГА).

Почву подготовляют обычным способом: отбирают корни, растирают ее в ступке с резиновым наконечником на пестике, просеивают через сито с отверстиями диаметром 1 мм. Около 20-30 г почвы помещают в фарфоровую или латунную чашку диаметром 12 см, замачивают водой до состояния густой пасты, при этом почву тщательно перемешивают шпателем, чашку плотно закрывают или открытой ставят в эксикатор с водой для предохранения от испарения, где оставляют пробу на сутки. После этого еще раз перемешивают почву, разравнивают слоем толщиною в 1 см и разрезают почвенную массу V-образным шпателем на равные части так, чтобы между ними образовалась щель шириною по дну чашки 1 -1.5 и на поверхности почвы – 2-3 мм. Затем по дну чашки ударяют 3 раза рукой или бросают ее три раза с высоты 6 см. Лучше эту операцию проводить на специальных приборах.

При этом обе половины почвы должны слабо слиться в нижней части борозды. Это означает, что требуемая консистенция почвы достигнута. Если после третьего удара почва не сольется или, наоборот, сольется раннее третьего удара, необходимо в первом случае добавить воды и хорошо размешать почву, во втором подсушить (Вадюнина, Корчагина, 1973).

После достижения нужной консистенции в сушильный стаканчик отбирают навеску почвы около 10 г и определяют в ней содержание воды, которое и соответствует нижней границе текучести, или верхнему пределу пластичности.

24

6.2.2.1. МОДИФИКАЦИЯ В.В. ОХОТИНА.

Вприборе конструкции В.В. Охотина (рис. 3) металлическую чашку (1) закрепляют на стержне, который с помощью ручки (2), вставленной в просвет внешнего цилиндра (3), свободно поднимают и опускают в цилиндре. Высота падения чашки = 7.5 см.

Если после трех падений обе части почвы в чашке начнут сливаться так, что заполнят щель между ними на высоту 1 мм и длину 1.5-2 см, то данное увлажнение соответствует нижнему пределу текучести.

Вслучае отсутствия слияния почве добавляют немного воды и повторяют те же операции. При избытке воды сливание почвенной массы отмечают уже после первого или второго удара, тогда в исследуемый образец добавляют немного сухой почвы или подсушивают почвенную пасту на воздухе и продолжают испытание.

Когда требуемая консистенция почвы достигнута, из чашки в сушильный стаканчик отбирают навеску почвы в 10-15 г и определяют в ней содержание воды, которое и соответствует верхнему пределу пластичности.

Запись при определении влажности производят по форме таблицы 4.

1

3

2

4

Рис. 3. Прибор для определения верхнего предела пластичности (нижней границы текучести), где 1 – металлическая чашка; 2 – ручка; 3 – полый цилиндр; 4 – основание прибора.

6.2.2.4. Модификация Васильева (с использованием балансирного конуса)

Полированный металлический конус (1) (рис. 4) изготавливают из нержавеющей стали с углом при вершине в 30° и высотой 25 мм. На высоте 10 мм от вершины конуса нанесена круговая метка. При основании конуса смонтировано балансирное устройство, состоящее из двух металлических шаров (2), укреп-

25

ленных на концах стальной проволоки, согнутой в полуокружность. Центр основания конуса имеет ручку (3). для прибора изготовляют деревянную подставку (4), в которую вставляют металлический стаканчик (5), диаметром 4 см и высотой 2 см.

В стаканчик загружают почву или грунт, замешанные с водой до рабочего состояния. Поверхность их тщательно заглаживают, на нее устанавливают конус, смазанный слоем вазелина. Под влиянием собственного веса конус погружается в почву.

Погружение его на глубину 10 мм (до метки) свидетельствует о том, что запас влаги в почве соответствует нижнему пределу текучести или верхнему пределу пластичности.

Если глубина погружения конуса меньше 10 мм, в почву добавляют воды; больше - добавляют сухую почву или подсушивают образец почвы, добиваясь такой влажности, при которой глубина погружения конуса под собственным весов равна 10 мм. После этого отбирают в сушильный стаканчик пробу почвы и определяют ее влажность, как описано выше. Повторность определения 2-3- кратная.

Рис. 4. Балансирный конус Васильева, где 1 – конус, 2- балансирное устройство, 3 – ручка, 4 – деревянная подставка, 5 – стакан для почвы.

26

6.2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НИЖНЕГО ПРЕДЕЛА ПЛАСТИЧНОСТИ (МЕТОД АТТЕРБЕРГА)

Для многих почв и грунтов нижняя граница пластичности или граница скатывания почвы в шнур соответствует, примерно, максимальной молекулярной влагоемкости, определяемой методом пленочного равновесия по Лебедеву.

Определение границы скатывания довольно примитивно, производят его следующим образом: почвенную массу после определения верхней границы пластичиости подсушивают или в нее добавляют сухую почву. Затем из почвенной массы скатывают шарик диаметром в 1 см и раскатывают его на бумаге в шнур толщиною 3 мм. После потери избытка влаги почвенный шнур распадается на мелкие кусочки (сегменты), которые собирают в сушильный стаканчик. Набрав 5-10 г почвенных сегментов, определяют ее влажность.

Повторность определения 2-3-кратная. Из данных всех определений выводят среднее значение влажности, соответствующей нижней границе текучести. Число пластичности равно разнице содержания влажности при нижней границе текучести и границе раскатывания в шнур. Пусть установлено, что влажность нижней границы текучести равна 36 %, границы скатывания – 18 %. Тогда число пластичности составит 36-18=18 %.

6.2.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛИПКОСТИ ПОЧВЫ

6.2.4.1. Общие представления

Липкость - это способность почвы прилипать к соприкасающимся предметам: рабочим частям почвообрабатывающих орудий, к колесам перекатываемых машин и орудий. Проявляется липкость тогда, когда сцепление между почвенными частицами становится меньше того, которое возникает между почвой и соприкасающимися с ней рабочими частями машин. Прилипание почвы к рабочим частям сельскохозяйственных орудий вызывает часто настолько большое сопротивление, что работа протекает с большой затратой энергии.

Величина липкости зависит от гранулометрического состава, структуры и влажности. Почвы глинистые и бесструктурные сильнее прилипают, чем легкие по гранулометрическому составу или структурные глинистые. Прилипать почва начинает уже при 60-80 % влажности от обшей влагоемкости; для бесструктурных почв эта величина ниже.

Липкость измеряют усилием в г на 1 см2, требующимся для отрыва от почвы прилипшего к ней предмета. Для определения липкости используют приборы Боуякоса, Шоппера, В. В. Охотина, М. Ф Розена, Н. А. Качинского.

27

В лабораториях грунтоведения чаще всего используют прибор В.В. Охотина. В практике почвенных лабораторий наибольшее распространение имеет прибор конструкции Н.А. Качинского.

6.2.4.2. Определение липкости почв и грунтов методом Качинского.

Устройство прибора. Прибор представляет собой видоизмененные технохимические весы, правая чашка которых заменена специальным подвесным стержнем, заканчивающимся диском площадью 10 см2. Диск и стержень уравновешивают правой чашкой весов и алюминиевым бюксом определенной массы. Подвесной стержень имеет винтовое крепление, что позволяет изменять его длину. Коромысло прибора поставлено на неподвижную колонку, укрепленную на металлическом основании и, таким образом, имеет постоянную высоту. Опорой для призм коромысла служит стальная «подушка» верхней части колонки. Тяга внутри колонки поднимает и опускает арретир.

Внерабочем положении коромысло лежит на стойках приподнятого арретира. При работе арретир опускают, и опорная призма коромысла ложится на «подушку». Чашки и стержень с диском подвешены на коромысло на серьгах. На концах коромысла помещены тарировочные грузы, а в центре укреплена стрелка, с помощью которой производят отсчет по шкале, расположенной у основания колонки. Прибор установлен на тяжелой металлической плите.

Вкомплект входит несколько дисков: стальной, латунный, деревянный, резиновый, используемых в зависимости от поставленной задачи. Для определения липкости почвы при ее обработке плугом употребляют стальной диск, при пневматических колесах машин - резиновый. К прибору прикладывают две гири, дополняющие массу диска со стержнем до 200 г и две гири, дополняющие массу диска со стержнем до 500 г. Формочки для образца почвы имеют сетчатое дно и заостренный верхний край (чтобы легче можно было врезать их в почву). Определение можно проводить на образцах нарушенного и ненарушенного сложения.

Так как липкость почвы проявляется в определенном интервале влажности, то для установле ния границ исследования начинают с влажности, соответствующей общей влагоемкости, и, подсушивая почву, продолжают определения до прекращения прилипания почвы к диску.

Техника анализа. Образец почвы или грунта, подлежащий исследованию, помещают в формочку, на сетчатое дно которой положен кружок из фильтровальной бумаги.

Вслучае исследования липкости в поле в формочку берут образец ненарушенного строения. При взятии монолитика формочку устанавливают на поверхность почвы и надавливанием руки или при помощи специального шомпола погружают в почву до полного наполнения. Затем ее окапывают ножом и вынимают с некоторым запасом почвы. Излишек почвы срезают ножом вровень

скраями формочки.

При определении липкости почвы нарушенного сложения в формочку насыпают образец, пропущенный через сито с отверстиями диаметром 1-3 мм.

28

Формочку с образцом почвы устанавливают в ванну с водой для насыщения до общей влагоемкости, после чего переносят на плиту прибора со стороны диска. На коромысло подвешивают диск и уравновешивают его с чашкой. Удлиняя или укорачивая подвесной стержень, приводят в полное соприкосновение диск с почвой. Сверху на диск кладут гирю, которая с подвесным стержнем и диском должна весить 200 или 500 г. Отпускают арретир и выдерживают груз 30 сек. Диск прилипает к почве. Придерживая рукой стержень, снимают груз. В стаканчик на левой чашке весов из песочницы насыпают тонкой струей чистый кварцевый песок до отрыва диска от почвы. Песок взвешивают. Передвинув формочку и вытерев диск, повторяют определение на новом месте. На одном образце производят пять определений. В качестве окончательного результата берут среднее из контрольных определений.

Масса песка соответствует силе, которая необходима для отрыва от почвы диска площадью 10 см2. Делением массы песка на площадь диска рассчитывают липкость почвы в г/см2 площади.

После определения липкости с поверхности образца почвы берут пробу на влажность. Через определенный промежуток времени на этом же образце производят повторные определения липкости и влажности и продолжают их до прекращения прилипания почвы к диску.

На основании полученных материалов составляют таблицу и график динамики липкости почвы в зависимости от ее влажности. По оси ординат откладывают липкость в г/см2, по оси абсцисс — относительную влажность.

Необходимое оборудование и материалы: прибор Качинского для оп-

ределения липкости, весы технохимические с разновесом, сушильные стаканчики, нож, песок, фильтровальная бумага.

6.2.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМНОЙ И ЛИНЕЙНОЙ УСАДКИ

Предел усадки почв и грунтов характеризует такое их состояние, после достижения которого с дальнейшим уменьшением влажности их объем перестает уменьшаться и образец переходит из полутвердой в твердую консистенцию.

Предел усадки может характеризоваться не только влажностью, при которой он наступает, но и линейными (объемными) характеристиками почвы.

Техника анализа (метод Филатова). Линейная усадка почвы определя-

ется следующим образом: на гладкой стеклянной доске приготовляют из почвы, просеянной через сито с диаметром отверстий в 1 мм и приведенной в пластическое состояние, лепешку толщиной 1 см. Из нее вырезают пластинку длиной 6 см и шириной 2 см.

Согласно данному методу определения усадка проводится с использованием почвенных образцов нарушенного сложения, т.е. образцы предварительно растирают пестиком с резиновым наконечником и просеивают через сито 1-2 мм, затем почва насыщается водой до достижения влажности, соответствующей верхнему пределу пластичности. Повторяемость опыта 3-х кратная.

29

На поверхности этой пластинки по диагоналям на расстоянии 5 см наносят иглой четыре точки, после чего пластинку постепенно сушат. Периодически производят измерение расстояний между точками на пластинке и одновременно взвешивают пластинку. После прекращения уменьшения линейных размеров пластинки производят вычисление линейной усадки и влажности, соответствующей пределу усадки.

Расчет линейной усадки (V) производится по формуле:

(5.7)

где L1 и L2 - расстояние между точками до просушивания пластины, равное 5 см; L3 и L4 - расстояние между точками после просушивания.

Определение предела усадки и нижнего предела пластичности имеет большое значение в почвенной технологии, так как первый равен нижнему, а второй - верхнему пределам влажности почвы, выше и ниже которых обработка почвы нежелательна.

6.2.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАБУХАНИЯ ПОЧВ С ПОМОЩЬЮ ПРИБОРА ВАСИЛЬЕВА

6.2.6.1. Общие представления

Набухание – это увеличение объема почвы или ее отдельных структурных элементов при увлажнении. В основе набухания лежит свойство коллоидов сорбировать воду и образовывать гидратные оболочки вокруг минеральных и органических частиц, раздвигая их (Приклонский, 1955). Чем больше внутренняя поверхность почвенной массы, чем больше водоудерживающая способность почвенных частиц, тем более мощную пленку они могут создавать вокруг себя, тем больше набухаемость такой системы.

Зависимость набухания от минералогического состава, дисперсности почв и состава обменных катионов.

Все факторы, от которых зависит величина набухания, сводятся в основном к трем группам:

состав и структура твердой фазы почвы (включая состав поглощенных катионов);

химический состав воды, взаимодействующей с частицами почвы;

величина давления, под которым находится почва.

Почвы, различные по своему генезису, набухают с различной интенсивностью. У почв набухаемость различна даже по их отдельным генетическим горизонтам. По данным С. С. Морозова (1940), глинистые частицы, выделенные из перегнойного горизонта подзолистых и подзолисто-болотных почв Московской области, имели набухаемость 69-88%, а набухаемость глинистых частиц

30

иллювиального горизонта этих же почв была 188-606%. Такая значительная разница при набухании указанных почвенных частиц объясняется в первую очередь их различным составом.

Минералы, имеющие подвижную кристаллическую решетку (например, минералы группы монтмориллонита), обладают большей величиной набухания, чем минералы, обладающие жесткой кристаллической решеткой (например, группы каолинита).

Молекулы воды, соприкасаясь с частицами монтмориллонита, свободно проникают между слоистыми пакетами, заставляют их раздвигаться и тем самым вызывают интенсивное набухание монтмориллонита. Это явление было доказано Гофманом, установившим зависимость расстояния между слоистыми пакетами, кристаллической решетки монтмориллонита от содержания в нем воды. По его данным, чем больше расстояние между слоистыми пакетами, тем большее пространство может свободно заполниться водой, следовательно, тем выше величина набухания.

В соответствии с этим почвы, содержащие в глинистой фракции монтмориллонит, байделит, нонтронит и т. п. минералы, будут набухать сильнее, чем почвы, у которых в глинистой фракции находятся галлуазит, каолинит и другие минералы с жесткими кристаллическими решетками. Кроме того в зависимости от минералогического состава изменяется дисперсность почв, а величина набухания почв зависит от их дисперсности.

Набухание происходит главным образом за счет взаимодействия с водой глинистых частиц. Пески и супеси или совсем не набухают или набухают очень слабо. Набухание глинистых почв тем более интенсивно, чем больше в них содержится коллоидов. С ростом дисперсности почв, помимо величины набухания, увеличивается также время, потребное для достижения максимальной величины набухания.

Набухание почв сильно изменяется в зависимости от состава обменных катионов.

Влияние обменных катионов на величину набухания почвы повышается при увеличении емкости поглощения.

Изменение состава обменных катионов приводит к изменению степени дисперности почвы благодаря различному количеству связанной воды, образующейся в диффузном слое мицеллы. В процессе набухания происходит диспергация почвы, что в свою очередь способствует дальнейшему развитию набухания. Поэтому существует тесная взаимосвязь между величиной набухания и определяемой дисперсностью почвы.

Величина набухания изменяется в зависимости от состава обменных катионов по такой же закономерности, как и величина максимальной молекулярной влагоемкости:

катион+ > катион++ > катион+++

Это значит, что величина набухания образцов, насыщенных Na+, больше, чем образцов, насыщенных Ca++ .

Величина набухания зависит от структуры почвы. Почвы с ненарушенной структурой дают меньшую величину набухания, чем грунты с нарушенной