Лабораторна робота 1

Визначення гранулометричного складу ґрунту

Тверда фазу ґрунту складається з частинок різного розміру, які називаються гранулометричними (механічними) елементами. Процентний або відносний вміст в ґрунті фракцій гранулометричних елементів називають гранулометричним (механічним) складом. В залежності від хімічного складу гірських порід, на яких утворився ґрунт, характеру їх вивітрювання і ґрунтоутворення гранулометричні елементи можуть бути різного розміру. Гранулометричні елементи в залежності від своїх розмірів та властивостей об’єднані у фракції, табл. 1.

1. Класифікація фракцій гранулометричних елементів

(за Н.А. Качинським)

Найбільш великі частинки (понад 1 мм) – каміння і гравій – утворюють ґрунтовий скелет, а частинки розміром менше 1 мм – дрібнозем. Групу гранулометричних елементів розміром більше 0, 01 мм називають – “фізичним” піском, а групу розміром менше 0, 01 мм – “фізичною” глиною. Назва “фізичний” або “фізична” означає, що частинки ґрунту з такими розмірами мають схожі фізичні властивості з піском або глиною, відповідно.

Гранулометричні елементи мають різний мінералогічний та хімічний склади. Найбільш крупні гранулометричні елементи (ґрунтовий скелет, фізичний пісок і пил) представлені в більшості первинними мінералами (кварц, польові шпати, апатити, магнетит та інш.). Найбільш мілкі гранулометричні елементи (мул і колоїди) представлені – вторинними мінералами (каолініт, монтморилоніт, гіпс. мірабіліт та ін.). Вторинні мінерали визначають головні фізичні та хімічні властивості ґрунту, вони являються основними постачальниками елементів живлення для рослин.

Мулиста фракція (< 0, 001 мм) має найбільшу ємність поглинання поживних речовин, перевищує в цьому в 10-15 разів пилуваті частинки і в 30-50 разів – піщані. Характеризується мінімальною водопроникністю, але максимальною вологоємністю і водопідйомною здатністю.

Пилувата фракція (0, 05-0, 001 мм) відрізняється великим вмістом первинних мінералів. Ґрунти з переважанням середнього та мілкого пилу мілко структурні, мають погану повітро- і водопроникність, але значну водопіднімальну здатність. При обробітку вони спричиняють великий опір, проявляють значну липкість.

Піщана фракція (> 0, 05 мм) має велику водопроникність, у вологому стані не пластична, не набухає. Переважання в ґрунті піску (піщаної фракції) спричиняє сильне спрацювання ґрунтообробних знарядь праці.

Співвідношення між вмістом в ґрунті “фізичного” піску і “фізичної” глини лягло в основу класифікації ґрунтів за гранулометричним складом, табл. 2.

2. Класифікація ґрунтів за гранулометричним складом,

для степового типу ґрунтоутворення (за Н.А.Качинським)

За гранулометричним складом ґрунти розділяються на легкі (піщані, супіщані), середні (суглинисті) та важкі (глинисті). Такий розподіл базується на питомому опору ґрунту ґрунтообробним знаряддям, на легких він становить 0, 2-0, 3 г/см², важких - 0, 6-0, 7 г/см², тобто глинисті ґрунти обробляються “важче”, ніж піщані.

Знання гранулометричного складу ґрунту дозволяє в деякій мірі характеризувати властивості ґрунту та його родючість. Найбільш цінними, з агрономічної точки зору, являються ґрунти, які містять приблизно однакову кількість “фізичного” піску та “фізичної” глини або це будуть ґрунти середньо- і важкосуглинкового гранулометричного складу.

Ґрунти середньо- і важкосуглинкового гранулометричного складу мають сприятливий водно-повітряний режим, помірно-швидке поглинання вологи,, добру вологоємкість, знижене фізичне непродуктивне випарування вологи, середньосуглиинкові ґрунти мають провальну фільтрацію, волога не застоюється, досить тривалий період фізичної стиглості. На півдні, у зоні сухого Степу, більш високу агрономічну цінність мають важкі глинисті ґрунти: добра структура, більш вологоємні, рослини відносно краще протистоять засусі.

Гранулометричний склад ураховується при проведенні зрошення по борознам, на легких ґрунтах борозни розташовують з меншою відстанню між їх осями, ніж на ґрунтах важкого гранулометричного складу. Планування системи добрив сільськогосподарських культур (строки внесення та норми добрив) також проводиться у відповідності з гранулометричним складом ґрунту: на важких ґрунтах мінеральні добрива можна вносити восени під оранку, на легких ­– доцільніше вносити весною під передпосівну культивацію ґрунту, доза добрив на важких, як правило, менша ніж на легких. Від гранулометричного складу ґрунту залежать строки початку весняно-польових робіт: раніше приступають до обробітку легких ґрунтів – вони дозрівають раніше; глибина висіву насіння сільськогосподарських культур: на легких ґрунтах глибина заробки насіння більша.

Гранулометричний склад ґрунт враховують при розміщенні сільськогосподарських культур, за даними В.Ф.Валькова (1986) на ґрунтах піщаного та супіщаного гранскладів слід надавати перевагу житу, картоплі, кавунам, диням, гарбузам, еспарцету, люцерні жовтій, на середньо- і легкосуглинкових: сорго, овесу, просу, житу, гречці, ячменю, сої, соняшнику, квасолі, гороху, картоплі, черешні, яблуні, винограду, грецькому горіху, на структурних важкосуглинкових і глинистих: пшениці, ячменю, кукурудзі, житу, сої, соняшнику, квасолі, цукровим бурякам, сливі, вишні, абрикосу, грецькому горіху, малоструктурним і змитим важкосуглинковим і глинистим: рису, кукурудзі, люцерні, сливі, вишні, буркуну.

Процеси вітрової ерозії (Полупан, 1987) на супіщаних ґрунтах розпочинаються при швидкості вітру 3-4, легкосуглинкових – 4-6, важкосуглинкових – 5-7, глинистих – 7-9 м/с.

Кількісне визначення вмісту в ґрунті гранулометричних фракцій називають гранулометричним аналізом. Існує декілька методів визначення гранулометричного складу, в їх основу покладені різні принципи. В польових умовах його визначають візуально та на дотик. До лабораторних методів відносяться, просіювання на ситах, відмулювання в проточній та стоячій воді, ареометричний метод (зміна щільності суспензії за рахунок осідання взмулених частинок), центрифугування, розділення частинок сухого ґрунту в струмені повітря, метод піпетки та інші.

Визначення гранулометричного складу ґрунту методом піпетки

(модифікація Н.А.Качинського)

Найбільш поширеним способом визначення гранулометричного складу ґрунту являється метод піпетки. Цей метод базується на законі Стокса: швидкість падіння частинок в рідині можна вважати пропорційну квадрату їхнього радіусу. При цьому роблять ряд припущень: середовище падіння (вода) – однорідна, частинки мають шароподібну форму, їх питома вага однакова, вплив конвекційних потоків відсутній та інш. Після скаламучування швидше осядуть крупні гранулометричні елементи, як більш важкі. Цей метод використовують в модифікації Н.А.Качинського. Метод піпетки складається з двох етапів: 1 етап - підготовка ґрунту до аналізу та 2 етап – виділення окремих фракцій з визначенням вагової (процентної) кількості фракцій гранулометричних елементів.

I. Підготовка ґрунту до аналізу

Основна мета підготовки ґрунту до аналізу полягає в попередньому руйнуванні ґрунтових агрегатів до стану роздільних гранулометричних елементів. Для цього ґрунт піддають колоїдно-хімічній обробці слабким розчином HCl до повного витіснення увібраних катіонів Ca²⁺і Mg²⁺, які переходять в розчин з утворенням хлоридів. При цьому колоїди втрачають можливість до цементації. Відбувається наступна реакція (1):

Подальше кип’ятіння в присутності лугу повністю руйнує агрегати. При кип’ятінні ґрунту з лугом ГВК ґрунту вступає в реакцію з Na і в подальшому колоїди будуть знаходиться в стані золю, реакція (2):

Хід підготовки ґрунту до аналізу:

1. На аналітичних терезах з точністю 0, 001 г беруть дві наважки ґрунту по 5 г. Перша наважка служить для приготування суспензії, що буде аналізуватися, друга – визначення втрат ґрунту при обробці соляною кислотою, тому що чим більше в ґрунті сполук кальцію і колоїдних частинок, тим більшою буде величина втрат ґрунту, ця величина враховується при визначенні кількості мулу.

2. В дві великі конічні колби поміщаються лійки з фільтрами. Фільтр другої наважки попередньо зважують. Кожну наважку переносять на фільтр і обливають 100 мл 0, 05 н. HCl. При цьому відбувається реакція 1.

Промивання HCl закінчують тоді, коли проба фільтрату покаже відсутність Ca²⁺ і Mg²⁺. Для цього до останніх порцій фільтрату (близько 3 мл), що взятий в пробірку, добавляють близько 1 мл щавлевокислого амонію. При відсутності білої муті промивання закінчують.

3. Після витіснення Ca²⁺ і Mg²⁺ ґрунт на лійках з фільтрами промивають дистильованою водою (200 мл) для видалення надлишку HCl.

4. В подальшому фільтр з другої проби обережно виймається з лійки і переноситься до сушильної шафи для висушування при температурі 105^оС до постійної ваги (приблизно 6 годин). В подальшому сухий фільтр з ґрунтом зважують і визначають вагу абсолютно-сухого ґрунту без ваги сухого фільтру.

Величину втрат ґрунту від обробки HCl розраховують за формулою, результати записують до табл. 4:

де:

M – втрата ґрунт від обробки HCl, %;

а – маса абсолютно-сухого ґрунту, взятого для аналізу, г;

b – маса фільтру, г;

с – маса фільтру з ґрунтом після сушки, г;

100 – для розрахунку в процентах.

5. Першу наважку переносять в нову конічну колбу. Для цього фільтр на лійці проколюється скляною паличкою і наважка ґрунту струменем води з промивалки змивається в чисту колбу. Вміст колби доводиться до 200 мл. В цю суспензію добавляють 5 мл 1н. розчину NaOH і кип’ятять протягом 30 хвилин, відбувається реакція 2.Суспензію в колбі кип’ятять при помірному нагріванні, для зменшення випарування в колбу необхідно вставити лійку, що відіграє роль зворотного холодильника. Після кип’ятіння колбу відставляють для охолодження при кімнатній температурі.

II. Визначення вмісту фракцій гранулометричних елементів

1. Охолоджену суспензію пропускають скрізь сито з отворами 0, 25 мм, яке встановлено в скляну лійку, що поміщена в мірному циліндрі на 500 мл. Ґрунт на ситі легенько протирають пальцем і промивають водою із промивалки. Необхідно слідкувати, щоб води в циліндрі не набралось більше 500 мл.

2. Залишок частинок (розмір 1 – 0, 25 мм) на ситі декантацією переносять в попередньо зважений бюкс, після чого випаровують воду. Після цього бюкс з ґрунтом зважують з точністю 0, 001 г і за вагою сухого залишку (вага бюксу з залишком мінус вага пустого бюксу) розраховують процентний вміст частинок з розміром від 1 до 0, 25 мм в взятій для аналізу наважці ґрунту за формулою:

,

Р – кількість крупного і середнього піску, %;

b – вага частинок, що залишились ни ситі, г;

c – наважка ґрунту, що взята для аналізу (5), г;

КГ – коефіцієнт гігроскопічності (1, 03);

100 – коефіцієнт перерахунку в проценти.

Якщо наважка ґрунту, що взята для аналізу дорівнює 5 г, коефіцієнт гігроскопічності – 1, 03, то для полегчення розрахунків кількість крупного і середнього піску (%) можна розрахувати як добуток коефіцієнту 20, 6 і ваги частинок, що залишились на ситі. Результати розрахунків заносять до табл. 3 та 4.

3. Проби для визначення кількості гранулометричних елементів дрібніше 0, 05 мм беруть піпеткою Робінзона (об’єм 25 мл) з циліндра з суспензією за допомогою аспіраційної установки. Для цього через певний час та з відповідної глибини із циліндра беруть встановлений об’єм суспензії (дивись табл. 3 - ці параметри розраховані для щільності твердої фази ґрунту 2, 60 г/см³, температури суспензії 20^оС).

Таблиця 3

Суспензію змучують спеціальною мішалкою протягом однієї хвилини. За 5-10 сек. до строку взяття проби піпетку занурюють в циліндр на певну глибину і відкривають затиску аспіратору, точно у встановлений час відкривають кран піпетки. Суспензія автоматично втягується в піпетку. В подальшому після забору рівно 25 мл суспензії закривають кран аспіратора і виймають піпетку з циліндра. Вміст піпетки обережно виливають в попередньо висушений і зважений бюкс. Піпетка додатково промивається невеликою кількістю дистильованої води. Рідину в бюксі випаровують і після охолодження в ексикаторі зважують з точністю 0, 001 г.

Таким шляхом проводять відбір секундної (частинки менше 0, 05 мм), хвилинної (частинки менше 0, 01 мм), годинної (частинки менше 0, 005 мм), добової (частинки менше 0, 001 мм) проб. Час відстоювання відраховується після кожного змучування, доливати воду в циліндр після забору проби забороняється.

Різниця між вагами бюкса з пробою після сушки і пустого бюкса показує кількість фракції гранулометричних елементів в грамах.

Кількість фракцій в процентах розраховуються за формулою:

де:

Х – кількість фракції, %;

500 – об’єм циліндра, мл;

100 – коефіцієнт для переводу в проценти;

а – вага фракції гранулометричних елементів, г;

КГ – коефіцієнт гігроскопічності (1, 03);

в – об’єм піпетки (25 мл), мл;

c - наважка ґрунту, що взята для аналізу (5), г.

Для спрощення проведення розрахунків (за умови рекомендованих значень об’єму циліндра, коефіцієнта гігроскопічності, об’єму піпетки, наважки ґрунту, що взята для аналізу) процентна кількість фракцій може бути розрахована, як добуток маси фракції, в грамах, на коефіцієнт 412.

Вірність проведення аналізу повинен відповідати вимогам:

а). M + Р + Х ≤ 100 %,

де:

M - втрата ґрунту від обробітку HCl, %;

Р - кількість гранулометричних елементів 1-0, 25 мм, %;

Х - кількість гранулометричних елементів < 0, 05 мм, %.

б). Секундна проба (%) > хвилинна проба (%) > годинна проба (%) > добова проба (%).

Якщо якась з умов не відповідає вимогам, то проводиться повторний відбір проби, яка не відповідає вимогам.

4. Процентний вміст фракцій гранулометричних елементів розраховують відніманням з процентного вмісту фракції більшого розміру процентного вмісту фракції меншого розміру, результати розрахунків записують в табл. 4. Наприклад процентний вміст фракції 0, 01-0, 005 мм визначають як різницю процентного вмісту фракцій < 0, 01 мм та < 0, 005 мм, тобто від “хвилинної” проби віднімають “годинну” пробу.

Вміст фракції < 0, 001 мм розраховують як суму добової проби та втрати ґрунту від обробки HCl.

Вміст фракції 0, 25-0, 05 мм одержують як різницю між 100% та сумою процентного вмісту фракцій: 1-0, 25; 0, 05-0, 01; 0, 01-0, 005; 0, 005-0, 001 та < 0, 001 мм.

Вміст “фізичної” глини (сума частинок < 0, 01 мм) одержують додаючи процентний вміст фракцій 0, 01-0, 005 мм, 0, 005-0, 001 мм та < 0, 001 мм.

Сума фракцій 1-0, 25; 0, 25-0, 05; 0, 05-0, 01; 0, 01-0, 005; 0, 005-0, 001 та < 0, 001 мм повинна складати 100%.

4. Результати гранулометричного аналізу ґрунту

Повна назва гранулометричного складу ґрунту складається з двох частин: основної – назва за вмістом “фізичної” глини та додаткової – вказуються дві фракції з найбільшим вмістом, при цьому фракція з найбільшим вмістом вказується останньою. В прикладі (табл. 4) гранулометричний склад ґрунту – важкосуглинковий крупно-пилувато-мулистий.

Результати визначення гранулометричного складу можуть бути представлені:

· у вигляді табл.4 в якій додатково вводять величину максимальної гігроскопічної вологи, яка тісно корелює з вмістом “фізичної” глини;

· графічно у вигляді інтегральної кривої, по осі абсцис відкладають величину діаметру фракцій гранулометричних елементів або їх логарифми, по осі ординат спочатку відкладають процентний вміст самої великої фракції, потім суму процентного вмісту кожної наступної та попередньої фракцій. Останній додаток фракцій становить 100%. На одному графіку можливо розмістити 3-4 криві розподілу гранулометричних елементів;

· диференціальної кривої, по осі абсцис відкладають розмір частинок або логарифми діаметру цих частинок, по осі ординат – процентний вміст фракцій;

· циклограмою – величини процентного вмісту фракцій різного розміру вписують в коло. При цьому довжину кола приймають за 100%, отже довжина дуги кута 3, 6^о відповідає 1% вмісту фракції гранулометричних елементів.

Візуальне визначення гранулометричного складу ґрунту

Візуальні методи базуються на визначені гранулометричного складу по зовнішнім ознакам за допомогою органів чуття (на вигляд, на дотик, роздавлюванням сухого зразка), тому ці методи називають також органолептичними. Серед них розрізняють мокрий та сухий методи визначення гранулометричного складу ґрунту.

Сухий метод. В польових умовах часто приходиться мати справу з повітряно-сухими зразками ґрунту. Суху грудку або щіпку ґрунту розглядають на дотик, кладуть на долоню і ретельно розтирають пальцями або роздавлюють в ступці. Гранулометричний склад при цьому визначають за станом сухого зразка, відчуттю при розтиранні та кількості піску (табл. 5).

Мокрий метод. Зразок розтертого ґрунту зволожують до тістоподібного стану, за якого ґрунт найбільш пластичний. В подальшому ґрунт розкочують на долонях в кульку, потім в шнур товщиною 3 мм і пробують звернути кільце діаметром 3 см. Гранулометричний склад визначають за пластичністю, табл. 6.

Результати візуального визначення гранулометричного складу ґрунту записують в табл. 7.

ВИСНОВОК. Вказують повну назву гранулометричного складу ґрунту, прогнозують його властивості та зазначають оптимальність.