实验一 土壤颗粒组成的测定——简易比重计法
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实验一 土壤颗粒组成的测定——简易比重计法
一、方法原理
分散的土粒在静水中由于重力作用而沉降,沉降的速度依土粒粒径的大小而有所差异,
分散后的土壤悬浊液中<0.05mm 粒径可根据Stoke ’s 定律,利用静水沉降方法测定土壤各粒级的含量。
Stoke ’s 定律: 22
()/9
s w v g r ρρη=
⨯- 式中:v —土粒沉降速度cm s -
1;r —土粒半径cm ;g —重力加速度(981cm s -
2);s ρ—土粒比重(2.65);w ρ—水的密度g cm -
3;η—水的粘带系数g cm -
1. s -
1。
该定律是细小的球形(实际土粒不是球形)颗粒在一定密度和粘滞度的流体中,在重力作用下作匀速沉降运动,其沉降速度与颗粒半径平方成比。水中每一颗粒都受重力-Fg 和方向相反的浮力—F A 之合理所支配,
g s F mg V g ρ== , A w F V g ρ=
式中:m —颗粒质量;V —颗粒体积;g —重力加速度;s ρ——颗粒密度;
w ρ——水密度。
驱使球形颗粒的向下运动的合力F 合应该是:
34
()()3
g A s w s w F F F V g r g ρρπρρ-=-=-合=
沉降的球形颗粒在水中下降时还会受到与重力相反的粘滞阻力F 阻的作用,G.G.Stoke 指出粘滞阻力F 阻等于:
F 6rv πη阻
= 式中:η-为水的粘滞系数(Pa ﹒s ),
r -为颗粒的半径(cm ),
v -为颗粒在水中的沉降速度(cm s -
1)。
当颗粒作匀速运动时,驱使颗粒向下运动的重力与浮力之合力应与粘滞阻力数值相等,方向相反:
F F =阻合- 3-5
因此有:
3
4()63s w r g rv πρρπη-= 3-6 22
()/9
s w v g r ρρη=⨯- 3-7
或:r =
3-8 由于颗粒作匀速下降运动,颗粒在t 时间内下降深度为h ,则h
v t
=带入3-7公式中,则:
2
92()s w h t g r η
ρρ=
- 3-9
根据3-9公式可编制成土壤颗粒分析吸取悬液时间t 和深度h 表,便于分析操作。 应用Stoke's 定律有不少假设条件事实上有些是达不到的,但有几个假设条件是实验必须注意的:
①颗粒必须比液体(水)分子大得多,否则颗粒在沉降时会受布朗运动的影响而改变沉降的路径;颗粒太大下沉时不可能是恒速运动,容易引起湍流,故颗粒粒径不应过大。按Stokes 公式计算的各颗粒粒径范围应为0.05~0.001mm 。
②颗粒必须是光滑的、非弹性的球型,虽然不是球形,但是充分分散的土粒可以近似视为球形。
③悬液的密度应当是使颗粒在液体中自由沉降,而彼此互不影响,所以一般土壤悬液的密度以<3%为宜,不能>5%,因此测定时,粘土、壤土一般称10~15g 土,砂土称15~30g 土配制成1000mL 悬浊液。
测定悬浊液中的各级土粒含量的方法有吸管法和比重计法。
具体提取各级细粒的方法,主要于1000mL 量筒中进行提取,吸管法是在量筒中的一定深度,按Stokes 公式计算的各粒径所需时间提取土粒悬浊液,烘干后称重,再计算小于相应粒径的累积量,两次测定的累积量相减,即得某一粒径范围的土粒量。土壤比重计(如鲍氏比重计)法测定各粒级含量是根据Stoke ’s 定律计算出的各粒级沉降一定深度所需要的时间,放入比重计进行快速测量,但其精度远不及吸管法。 二、仪器药品
1.仪器:甲种比重计、沉降筒、搅拌棒、天平、漏斗、温度计、电热板、三角瓶、洗
瓶、带秒针时钟。
2.分散剂:0.5M 氢氧化钠(用于酸性土壤)、0.25M 草酸钠(用于中性土壤)、0.5N 焦磷酸钠(用于碱性土壤)。 三、操作步骤
1.称取土样
用百分之一天平称过20号筛的土样50~100g (如果质地越偏砂则称样量越大),供分散处理用。
2.分散土粒
将称好的土样放在500ml 三角瓶中,加入选定的分散剂20ml 后,再用蒸馏水冲至200~300ml 。摇匀后静置两小时,并每隔15分钟左右摇动一次(因时间问题,试验中不做这一步了)。盖上小漏斗,然后放在电热板上加热煮沸。在未煮沸前应经常摇动三角瓶,以防土粒沉积粘附瓶底,结成硬块或烧焦而影响分散,并可能因冷热不均而发生破裂。煮沸后保持沸腾 60min (因时间问题,试验中只需沸腾10min 即可)。
3.制备悬液
将冷却的三角瓶中悬液全部进入沉降筒,用蒸馏水定容到1000ml 。放置于温差变化小的室内平稳桌面上,避免阳光直射,并准备比重计、秒表、温度计(±0.1℃)、记录纸等。
4.测定悬液比重
用搅拌棒搅动悬液1min ,测定液温,记录开始时间(以搅拌棒离开液面的那一时刻记为第0s ),按表1中所列温度、时间和粒径的关系,根据当时的液温和待测的粒级最大直径值,查表2选定测比重计读数的时间。提前30秒钟,将比重计轻轻地、垂直地插入悬液中,放在沉降筒的中心位置,并略为扶住其玻璃杆,使它不上下左右晃动,直到基本稳定为止,到了选定的时间即测记比重计读数。立即取出比重计,洗去土粒,以备下次使用,并测量悬液温度。将读数经必要的校正计算后,即代表直径小于所选定的毫米数的颗粒累积含量。按照上述步骤,就可分别测出<0.05、<0.01、<0.005、<0.001mm 等各级土粒的比重计读数。 四、结果计算
100%⨯=
烘干土样重
校正后读数
)小于某粒径土粒含量(
分散剂校正值温度校正值比重计读数烘干土样重--= 1000
m /g )加入量(分散剂摩尔质量)分散剂校正值(L L ⨯=
将相邻两粒径的土粒累积百分数值相减,即为该两粒径范围内的粒级百分含量。 五、讨论
实验中一些需要注意的问题,误差的来源讨论等。