Твердая фаза и поровое пространство почв. Гранулометрический состав почв

1. Твердая фаза и поровое пространство почв

Профильный курс для студентов
IV курса
Итоговая аттестация – экзамен

2.

Гранулометрический
состав почв

3. Гранулометрический состав почв

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
ЭПЧ. Определение
Классификация фракций ЭПЧ
Состав фракций ЭПЧ
Гранулометрический состав почв
Классификация почв по гранулометрии
Методы гранулометрического анализа
Использование данных по гранулометрии

4.

Схема строения порового пространства почв, агрегатов и
микроагрегатов
5 см
5 см
межагрегатная
структурная
порозность
трещины
тупиковые
поры
коверны
агрегат
замкнутые
поры
агрегат
микроагрегаты
микроагрегат
песок
крупный
0,25 мм
элемент
частицы
2 мм
органическое
вещество
песок
кварц
пыль
крупная
свободное
пространство
пыль
мелкая
и средняя
ил
(глинистые
минералы)

5. Определение ЭПЧ

• Элементарные почвенные частицы –
обломки горных пород и минералов, а также
аморфные соединения, все элементы которых
находятся в химической взаимосвязи и не
поддаются разрушению общепринятыми
методами пептизации.

6. Фракции гранулометрических частиц

7. Гранулометрические фракции (по А.Аттербергу)

0.01
ãðóáûé
ï åñî ê
0.1
2.0
0.05
0.002
0.001
òî í êèé
ï åñî ê
0.2
ï ûëü
ãëèí à
1.0
äèàì åòð
÷àñòèö, ì ì

8. Итак, 3 основные фракции (в большинстве зарубежных классификаций)

• Песок (sand) - >0.05 мм
• Пыль (silt) – 0.05-0.002 мм
• Глина (clay) - <0.002 мм

9. Гранулометрические фракции (по Н.А.Качинскому)

0.001
0.01
0.1
0.1
0.5
0.25
ñðåäí èé
ï åñî ê
êðóï í ûé
ï åñî ê
òî í êèé
ï åñî ê
êðóï í àÿ
ï ûëü
0.05
0.01
ñðåäí ÿÿ
ï ûëü
0.005
èë
<0.001
0.001
ì åëêàÿ
ï ûëü
Гранулометрические фракции (по
Н.А.Качинскому)
êàì åí èñòàÿ
÷àñòü ï î ÷âû,
ãðàâèé
äèàì åòð
1 ÷àñòèö, ì ì

10.

Дифференциальные и интегральные
кривые гранулометрического состава
à
почв
100
%
80
60
÷åðí î çåì
(ãî ð À)
40
äåðí î âî ï î äçî ëèñòàÿ
(ãî ð ÀÅ)
20
0
0.001
0.005
0.05
0.25
0.1
1
ðàçì åð ô ðàêöèé, ì ì
0.01
%
á
40
30
÷åðí î çåì
(ãî ð À)
20
äåðí î âî ï î äçî ëèñòàÿ
(ãî ð ÀÅ)
10
0
0.001
0.005
0.05
0.01
0.25
1
0.1
ðàçì åð ô ðàêöèé, ì ì

11. Совместно, дифференциальная (a) и интегральная (b) кривые в двух осях

12. Определение

Под гранулометрическим
(механическим – уст., почвенной
текстурой) составом почв и
почвообразующих пород понимают
относительное содержание в почве
элементарных почвенных частиц различного
диаметра, независимо от их
минералогического и химического составов.
Гранулометрический состав выражается в
виде массовых процентов фракций
гранулометрических частиц различного
размера

13.

Треугольник Ферре для классификации почв по гранулометрии
Глина – 23%
Пыль - 46%
Песок - 31%

14. Классификация почв по гранулометрии (по Н.А.Качинскому)

Содержание физ.глины
Название
Подзол. тип
почвообр.
Степного
Солонцы и
солончаки
почвы
0-5
0-5
0-5
П.рыхлый
5-10
5-10
5-10
П.связанный
10-20
10-20
10-15
Супесь
20-30
20-30
15-20
Сугл. Легкий
30-40
30-45
20-30
Сугл.средний
40-50
45-60
30-40
Сугл.тяжелый
50-65
60-75
40-50
Глина легкая
65-80
75-85
50-65
Гл.средняя
>80
>85
>65
Гл.тяжелая

15. Почему же в классификацию почв по гранулометрии внесен тип почвообразования?

16. Переход от российской к международным классификациям

• Осуществить графическую интерполяцию
кумулятивной кривой гранулометрического
состава;
• Определить содержание фракций по зарубежной
классификации , т.е. <0.002 (глина), 0.002-0.05
(пыль) и 0.05-2 мм (песок).
• Зная содержание глины, пыли и песка, по
треугольнику найти соответствующие название
почвы по гранулометрии.

17. Надо запомнить (это важно!):

• Российская классификация –
двучленная (физические глина <0.01
мм и песок >0.01 мм) и учитывает тип
почвообразования, а зарубежные –
трехчленные (глина <0.002 мм, пыль
0.002-0.05 и песок 0.05-2 мм) и не
учитывают тип почвообразования.

18. 5. Методы гранулометрического анализа

19. Процедура гранулометрического анализа почв включает 2 стадии:

• Стадия физико-химической обработки
образца (предварительная стадия
диспергации)
• Определение содержания
гранулометрических фракций (собственно,
гранулометрический анализ)

20. Гранулометрический анализ почв

• Химическая обработка:
▫ Н 2О 2;
▫ Щелочь+кислота
▫ Пирофосфат Nа
• Физическая обработка
▫ Ультразвуковая обработка
▫ Механическое растирание

21. Уравнение Стокса

2 r g ( s w ) l
v
9
t
2

22. Ограничения закона Стокса

Частицы осаждаются независимо друг от друга. Это условие
накладывает особенность на концентрацию суспензии – она
не должна быть более 1.5-2%.
Частицы должны быть сферической формы. Поэтому в этом
анализе определяем не реальный размер частиц, а так
называемый «эффективный радиус».
Плотность твердой фазы всех частиц одинакова и равна
средневзвешенной.
Закон Стокса применим для определенного диапазона
диаметров частиц: >0.0001 мм и<0.25 мм.
Используется понятие «динамического трения» -это трение
внутри жидкой фазы, а не на границе твердая частицажидкость. Поэтому используется вязкость раствора
пирофосфата с поправкой на температуру, при которой
происходило определение.

23.

Пипет-метод гранулометрического анализа почв
ï èï åòêà
ì åëêèå (èë)
ñðåäí èå
(ï û ëü)
êðóï í û å
(ï åñî ê)
ì åëêèå
ì åëêèå
+
ñðåäí èå
ì åëêèå
+
ñðåäí èå
+
êðóï í û å

24. Другие седиментометрические методы

• Метод ареометра (ГОСТ для строительных
материалов)
• Метод седиграфа (дает плавную кривую)

25. Метод ареометра

26. Метод ареометра

• Рассмотрим следующие
Метод компоненты
ареометра
суспензии:
• Мs- масса осажденных частиц почвы; ρw –
плотность воды, ρs –плотноcть твердой фазы,
Мw - масса воды, V - объем суспензии
( обычно 1 л)
• Тогда плотность суспензии, ρс, составит:
é
ù
Ms
ê M S + (V ( )) w ú
Ms + Mw ë
s
û
c
V
V

27. Метод ареометра

æ
Ms ö
cV M s + çV
÷ w
s ø
è
Ms
V ( c w )
w
1
s
Нам надо найти массу
твердой фазы почвы для
соответствующего диаметра
(например, <0.05мм)
Ну, а далее формула Стокса. Рассчитываем
время и диаметр частиц. По этой формуле
рассчитываем массу частиц
соответствующего диаметра. Нам надо
найти массу твердой фазы почвы для
соответствующего диаметра (например,
<0.05мм)

28. Уравнение Стокса

2 r g ( s w ) l
v
9
t
2

29. Пример

Например, если плотность твердой фазы почвы ( s ) равна
2.6, плотность воды =1 г/см3, то конечная формула для
расчета (округленно):
( c 1) V ( c 1) V
Ms
1
0.6
1
2.6
Таким образом, измеряя плотность суспензии, мы можем
по указанной формуле рассчитать массу частиц в суспензии
на определенной глубине в определенный момент
времени. Далее, используя формулу Стокса и задав
определенный размер частиц (например, >0.05 мм),
рассчитать время взятия отсчета по ареометру, определить
в это время плотность суспензии и рассчитать массу частиц
(см предыдущую формулу), соответствующую эту размеру.
Можно задать следующий размер частиц (например, 0.01
мм) и опять посчитать, какую массу составят частицы
выбранного размера, и т.д.

30.

H
X 0.005531 ´ (
)
1/2
( s 1) ´ t
Вязкость,
Температура мПа
10
1.304
15
1.137
20
1.002
25
0.891
30
0.798
Н – глубина в мм,
η - вязкость в мПа
-плотность в Mг/м3
s
X – диаметр частиц в мм

31.

Mss
Интервалы времени взятия проб при гранулометрическом анализе
Пример расчета содержания
гранулометрических фракций
при ареометрическом анализе
Температура
Плотность
тв.фазы
почвы,
г/см3
2,45
Диаметр
фракции,
мм
меньше
0,05
0,01
0,005
0,002
V
V ´´(( cc ww))
ww
11
ss
Глубина отбора
пробы,
см
25
26
25
7
15
18
2' 34''
2' 24''
63' 06''
256’ 03''
7ч 27' 59''
1000
1000´´(1.007
(1.007 1.0)
1.0)
11.8
11.
1.0
1.0
11
2.45
2.45

32. Метод лазерной дифрактометрии

па
да
ющ
ий
с
ве
т
ный свет
н
е
ж
а
р
т
О

33. Дифференциальная и интегральные кривые гранулометрического состава, получаемые на лазерном дифрактометре

Дифференциальная и интегральные кривые
гранулометрического состава, получаемые на лазерном
Вопросы:
дифрактометре
1. Откуда максимумы на дифференциальной кривой?
2. С чем связана «узость» пика?

34. Гранулометрический анализ почв Диспергация образца

микроагрегат
• Химическая обработка:
▫ Н2 О 2 ;
▫ Пирофосфат Nа.
0,25 мм
органическое
вещество
элемент
частицы
песок
кварц
пыль
крупная
• Физическая обработка
▫ Ультразвуковая обработка
▫ Механическое растирание
ил
(глинистые
минералы)
пыль
мелкая
и средняя
Цель – разрушить микроагрегаты
до элементарных частиц

35.

Диспергация образца. Чернозем типичный
(ВССа, С орг 0,35%)
H2O без
без УЗ
УЗ
H2O
H2O
УЗбез
А-22
H2O
УЗ
H2O УЗ А-22
без УЗ
H2O H2O
УЗ А-22
Na4P2O7 УЗ - BRANSON
H2O
УЗУЗBRANSON
H2O
А-22
Na4P2O7
УЗ - BRANSON
H2O УЗ BRANSON
0.1
0.1
0.1
0.1
1111
Диспергация
«Analysette 22
Comfort »
10
10
10
10
100
100
100
100
1000
1000 мкм
1000
1000
Содержание фракций (%), диаметром
(мкм)
250-50
50-10
10-5
5-1
>1
44.6
45.4
5.44
3.55
1.01
Н2О УЗ FRITSCH
0.7
74.6
11.39
11.86
1.45
Na4P2O7 УЗ BRANSON
0.12
55.55
15.64
24.18
4.51
Супесь
Суглинок легкий
Суглиноксредний
H2O УЗ BRANSON
0.2
46.28
14.81
31.57
7.14
Суглинок
Суглинок тяжелый
тяжелый
Н2О без УЗ

36.

Гранулометрический состав гумусово-аккумулятивных
горизонтов почв
Глина тяжелая
Глина средняя
Глина легкая
Тяжелый суглинок
седиментация
дифракция

37.

• Основные расхождения методов
седиментометрии и лазерной
дифракции наблюдаются в
области тонких частиц (ила,
мелкой пыли).
• Метод лазерной дифракции
«занижает» (в 2-10 раз!)
содержание тонких фракций

38.

Распределение по размеру
частиц кварцевого песка
100
25
После растирания на
механической ступке RМ 200
215
20
Мелкий
Песок
песок
15
50
мкм
100
14,1
75
1,23
75
4
50
50
мкм
10
25
5
50
2
25
ил - пыль
0
0.1
1
10
100
0
1000
мкм
0
0.1
220
187
204
250
Образец
Исходный
275
Растерт
210
325
220
1
10
0
1000
100
Содержание фракций (%), диаметром (мкм)
>250
250-100
100-10
10-5
5-1
<1
27.57
70.63
1.19
0
0.22
0.39
0
0
20.15
17.53
40.64
21.68

39.

Стеклянные шарики
ρ 2,45 г/см3
Диаметр от 40 до 200 мкм
70 мкм
70 мкм
10
100
1000
Содержание фракций (%), диаметром (мкм)
> 250
250-50
50-10
10-5
5-1
>1
0.71
8.68
88.54
0.06
0.86
1.15

40. Синтетический Al2O3 73 мкм (Eijkelkamp, Голландия)

Синтетический Al2O3 73 мкм
ρ
(Eijkelkamp, Голландия)
70 мкм 3
3,92 г/см
70 мкм
мкм
72,8472.84
мкм
100 мкм
0.1
1
10
100
1000
Содержание фракций (%), диаметром (мкм)
>300
300-110
110-40
40-10
10-5
5-1
<1
0.14
13.27
74
9.29
0.62
1.44
1.24
12
120

41.

Bacillus cereus var
mycoides
1 мкм
0,82 мкм
0.1
1
10

42.

Микроагрегатный анализ почв на
«Analysette 22 Comfort»

43.

Микроагрегатный состав чернозёма типичного (10–20 см)
Седиментация и лазерная дифракция
(суспензия образца в 0,4% Na4P2O7)
50
50
Микроагрегатный
суспензия в Н2О
без УЗ
%
Гранулометрический
40
120
30
Седиментация
29
4.5
1.8
А - 22
20
10
0
0.1
1
10
100
>250
1000
0.42
250 - 50
мкм
0
Метод
1
50 - 10
10 -5
5-1
10
< 1 мкм
100
Содержание агрегатов (%), диаметром (мкм)
> 250
250-50
50-10
10-5
5-1
<1
Седиментация
15,35
48,35
25,61
6,37
2,69
1,42
Дифракция
16,15
37,39
35,29
5,05
4,91
1,19

44. Распределение частиц по размерам. Ферральсоль, гор. А11

Распределение частиц по размерам.
«Analysette 22
Comfort
» А11
Ферральсоль,
гор.
240 мкм
240
240мкм
мкм
Микроагрегатный
суспензия в Н2О,
без УЗ 2,07
2,07
5,2
5,2
0,44
0,44
0.1
0.1
0.1
111
10
10
10
100
100
100
1000
1000
1000
Содержание фракции (%), диаметром (мкм)
> 250
250-50
50-10
10-5
5-1
<1
Микроагрегатный
26.74
53.92
13.21
2.21
3.23
0.69
Гранулометрический
0
0
0.94
11.48
60.63
26.95
Обработка Н2О2
0
0
0.09
1.64
33.95
64.32

45.

Физическое и химическое
воздействие

46.

Разрушение водоустойчивых агрегатов 0,25-0,1мм.
Чернозем обыкновенный, А11 (Оренбургская обл.)
200
30
мкм
200
«Analysette 22
Comfort »
вода1
150
100
50
0
0
5
0.1
0.1
Arithmetic Mean Diameter [µm]
вода1
вода1
вода
2
Geometric
Mean Diameter [µm]
вода1
вода
2
вода
вода14
вода1
вода
2 [µm]
4
Mode
вода
6
2
вода 6
2
4
вода 8
4
вода
вода1
4
6
8
вода
10
вода1
6
вода
вода 10
62
8
УЗ-10-1
вода 8
вода 10
УЗ-10-1
8
УЗ-10-2
вода 10
вода 10
УЗ-10-1
УЗ-10-2
УЗ-10-3
УЗ-10-1
УЗ-10-2
УЗ-10-3
УЗ-50-2
УЗ-50-2
10
15
20
25
УЗ-100-1
11
10
10
мин
100
100
1000
1000
Через10 минут агрегаты пришли в устойчивое состояние
и их диаметр (100 мкм) перестал изменяться
по 30 секунд УЗ-воздействия с увеличением
мощности (10, 50 и 100%)

47.

< 1 мкм
Распределение частиц по
размерам в составе
гранулометрических
фракций, чернозем 0-10 см
5 - 1 мкм
Исходный
Обработка Н2О2
Причина
1. ЭПЧ ила и мелкой пыли представлены
минеральными и органическими
частицами
> 5 мкм
0.1
1
10
2. В иле и мелкой пыли присутствуют
микроагрегаты, устойчивость которых
обуславливают органические
соединения
100

48.

Качество шоколада определяет
гранулометрический состав
Аленка
какао
Бабаевский
Дед Мороз
Snickers
0.1
1
10
100
1000
ГОСТ Р 54052-2010
Изделия кондитерские. Методы определения степени измельчения
шоколада, шоколадных изделий, полуфабрикатов производства
шоколада, какао и глазури.
«…определения гранулометрического состава частиц способом
лазерной дифракции в диапазонах измерений от 1 до 150 мкм».

49. Удельная поверхность почв

50. Удельная поверхность почвы

• Кривая адсорбции водяных паров
почвами
• Теория БЭТ и Фаррера
• Определение полной, внутренней
и внешней удельных
поверхностей почвы

51.

Удельная поверхность (м2/г) – свойство
характеризующее дисперсность почвы и
состояние поверхности почвенных частиц.
Различают полную удельную поверхность (Sпол),
внутреннюю (Si) и внешнюю (Se):
Sпол
N aS0
Wm
M
S i S пол S e
Внутренняя поверхность – это поверхность
микротрещин, микрокаверн, микровпадин в
почвенных частицах.
Внешняя – отражает форму частиц, образуется
после заполнения внутренней поверхности частиц.

52. Схема почвенной частицы

Внутренняя поверхность, Si
Sпол
Sпол
N a S0
Wm
M
36.16 Wm
Размер молекулы воды –
10.5Ă2

53.

Схема формирование различных слоев
воды на внутренней (трещина) и внешней
поверхности почвенной частицы
(Wm)e
Wi
ì î í î ì î ëåêóëÿðí àÿ ï ëåí êà
í à âí óòðåí í åé ï î âåðõí î ñòè
Wm
ì î í î ì î ëåêóëÿðí àÿ
ï ëåí êà
Wa
áèì î ëåêóëÿðí àÿ
ï ëåí êà

54. Кривая сорбции

• Зависимость между влажностью (W) почвы и
относительным давлением паров воды (р/ро)

55. STOP

56.

Влажность,
% î ñòü
âëàæí
Кривая сорбции паров воды почвой
ï î ÷âû
Sпол
WÌ
Sпол
N a S0
Wm ;
M
36.16 Wm
ÀÂ
(Wm)e
Wa
(Wm)e
Wm
Wi
ï î ëèì î ëåêóëÿðполимолекулярный
ëî é
ì î í î ì î ëå- í ûé ñслой
Моно-ûé
êóëÿðí
ñëî слой
é
0.05
Óðàâí åí èÿ:
Ãåí ðè Ë åí ãì þðà
БЭТ
ÁÝÒ
0.35
Фаррера
Ô àððåðà
êàï
èëëÿðí àÿ
Капиллярная
êî конденсация
í äåí ñàöèÿ
конденсация
0.8
1
î òí î ñèòåëüí î å
äàâëåí Р/Ро
èå ï àðî â

57.

Уравнение БЭТ - Брунауэра, Эмметта
и Теллера (Brunauer, Emmett & Teller,1938)
Wm C p / p0
W
( 1 p / p0 ) éë1 + ( C 1) p / p0 ùû
p / po
1
C 1
+
p / po
W (1 p / p o ) Wm C Wm C

58.

Уравнение Фаррера
(Wm ) e
W
+ Wi
1 K e p / p0

59.

Расчет полной удельной поверхности
производится на основании уравнения
полимолекулярной адсорбции, уравнения
БЭТ, в области величин относительных
давлений от 0.05 до 0.35.
Внешняя удельная поверхность
рассчитывается
по уравнению Фаррера для относительных
давлений паров воды 0.4-0.8.

60. Зачем нужна удельная поверхность?

1.
От каких свойств почвы зависит ее удельная
поверхность?
2. Нередки примеры, что, например, всего-то
600кг ( а это квадрат почвы примерно 1.5 м
со стороной и 20 см в глубину) почвы
занимает площадь, равную Австрии (83.86
кв.км). Это не совсем прямая рабочая
площадь!!!

61.

TABLE 1.1
Approximate charge characteristics of soil colloids (Brady and
Weil, 2008)
Colloid Type
Organic matter
Smectite
Vermiculite
Fine-grained micas
Chlorite
Kaolinite
Aluminum oxide
Iron oxide
Allophane
CEC
cmolc kg-1
200
100
150
30
30
8
4
4
30
AEC
cmolc kg-1
0
0
0
0
0
2
5
5
15

62.

TABLE 1.2
Specific surface area range
selected colloids (Skopp, 2000)
Colloid
for
s
m2 g-1
Kaolinite
Illite
Bentonite
Montmorillonite
Crystalline iron oxides
Amorphous iron oxides
Organic matter
15-20
80-100
115-260
280-500
116-184
305-412
560-800
TABLE 1.2
Specific surface area range for selected colloids (Skopp, 2000)
Colloid
s
m2 g-1
Kaolinite
Illite
Bentonite
Montmorillonite
Crystalline iron oxides
Amorphous iron oxides
Organic matter
15-20
80-100
115-260
280-500
116-184
305-412
560-800