Диссертация (Моделирование порового пространства и гидрофизических свойств почв для обоснования мелиоративных мероприятий и технологий), страница 6

Основным недостатком использованиятомографов является значительная стоимость и, следовательно, невысокаяраспространенность в научных лабораториях. Поэтому рассмотрим наиболеедоступные и распространенные методы.Из достаточно большого числа методов измерения пористости иструктуры порового пространства почв к числу доступных широкому рядуисследователей можно отнести расчетные через значения плотности твердойфазы; микроморфометрические (измерение размера пор под микроскопом);адиабатного расширения почвенного воздуха в вакуум; основанные нагазовой диффузии через образец почвы и др.Наиболее распространенным является расчетный метод определенияпористости почв из связи пористости с объемной массой и плотностьютвердой фазы почвы (см.

далее формулу 1.6.6). Основная сложность ееиспользования в том, что твердая фаза многокомпонентна и имеет какминеральную, так и органическую составляющие. Поэтому измерение ρsfзатруднено [237, 250].Одним из экспресс-методов определения пористости является методадиабатного расширения почвенного воздуха в область с пониженнымдавлением. Для адиабатического процесса справедливо уравнение Пуассона,которое имеет вид:pVγ=const,(1.3.1)где p – давление, V- объем, γ - показатель адиабаты.Уравнение (1.3.1) позволяет рассчитать пористость по значениямдавлений до и после расширения почвенного воздуха в область известногообъема с пониженным давлением.

Метод позволяет в многократнойповторности (при пятикратной средняя относительная ошибка не превышает7%) измерить пористость одного и того же образца почвы. Для разных32образцов, взятых с одинаковых глубин (расстояние 0,5 м друг от друга),средняя относительная ошибка не превышает 10%.1.3.2. Методы изучения удельной поверхности почвыИнтенсивность физико-химические процессов, протекающие в почвахпропорциональна удельной поверхности или связанной с ней свободнойповерхностной энергии. Удельная поверхность важное и стабильное вовремени свойство почвы. Этим объясняется большое число методовизмерения удельной поверхности, к наиболее известным из которыхотносятся геометрический метод, с помощью лазерных анализаторовразмеров частиц, методы Кутилека и БЭТ, уравнение Фаррера [248],гигроскопический метод, статические методы измерения изотерм адсорбциигазов и паров, физически обоснованное уравнение сорбции паров водыпочвами.. Техника и методика определения удельной поверхности по этимметодам описана в работах [159, 221, 253]:Геометрический метод.

Образец почвы разделяют на фракции ивычисляют их массовое (процентное) содержание. Затем, используя значениеплотности частиц, вычисляют число частиц в каждой фракции. Приравниваячастицы к многогранникам (октаэдру, кубу и др.) или шарам черезусредненный их размер вычисляют удельную поверхность:6ρ v d 2 + σ 2Ω=,⋅cρ s d 3 + 3σ 2 d(1.3.2)где ρv - объемная масса системы; ρs - плотность твердой фазы σ2 - дисперсияраспределения; с - коэффициент.Методы Кутилека и БЭТ (Брунауера, Эммета и Теллера). Методыпредполагают, что при задании и поддерживании относительной влажностивоздуха (20%), на поверхности почвенных частиц происходит образованиемономолекулярного слоя воды [220] Исследуют сорбцию в диапазонедавлений от минимально возможного до давления насыщенных паров при33даннойтемпературе.Наэкспериментальнойизотермеадсорбциирассчитывают емкость монослоя, покрывающего поверхность адсорбента итеплоту адсорбции слоя молекул.

Или же при анализе изотермы десорбциивыделяетсяточка,соответствующаяплотномумономолекулярномупокрытию. При использовании метода Кутилека формула расчета удельнойповерхности имеет вид:Ω0 = 36,14Ww.,(1.3.3)где Ww - весовая влажность, %; 36,14 - коэффициент, учитывающийгексагональную упаковку и размер молекул воды.Уравнение Брунауэра – Эммета – Теллера:pW ( p 0 − p)=1Wm C+C −1 p⋅,Wm C p 0(1.3.4)где р- давление паров воды, кПа; W – измеряемая влажность, г/г; р0 давление насыщенных паров воды, кПа; Wm - влажность соответствующаяодному слою, г/г; С – относительная теплота адсорбции.Методы сорбции и конденсации газов позволяют определять не тольковеличинуудельной поверхности, но и пористость и, кроме того,рассчитывать распределение пор по размерам.Хорошее согласование с методами сорбции имеет дифракционныйметоданализа–удельнаяповерхностьвычисляетсяспомощьюпрограммного обеспечения, обрабатывающего дифракционную картину,создаваемую первичными почвенными агрегатами в потоке воды.Уравнение Фаррера.

Уравнение описывает сорбцию паров водыпочвенными частицами в диапазоне относительных давлений паров воды вобласти формирования полимолекулярного слоя. Расчетная формула дляопределения удельной поверхности:Ω=144 nL⋅⋅ 213 1 − n x2 RT,πμ(1.3.5)где L - графически определяемое время запаздывания, с.

Определяется по34результирующейлиниизависимостиуменьшениядавленияпотокаразреженного воздуха на выходном торце образца.Гигроскопическийметод.Изотермыдесорбциипаровводыопределяются гравиметрически, путем взвешивания образцов почвы нааналитических весах.Статические методы измерения изотерм адсорбции газов и паров.Дляколичественногомежмолекулярныхизучениявзаимодействийпроисходящихполучаютприадсорбцииизотермыадсорбции,измеренные при разных температурах.Физически обоснованное уравнение сорбции паров воды почвами.Эмпирическим подбором коэффициентов получают уравнение, котороесвязывает содержание адсорбированной воды в почве с равновеснымдавлением водяного пара.

Б.В.Дерягин получил формулу:Ω=Δpn224 2,⋅⋅13 π Q μRT Δx(1.3.6)где n – объемная доля пор в образце; Q - количество воздуха (моль),протекающего через 1 см2 пористой перегородки толщиной Δх см в единицувремени при заданном с обеих сторон перегородки перепаде давления Δр,дин/см2; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль⋅К); Т - абсолютнаятемпература, К; Ω0 - удельная поверхность, см2/см3; μ - молярная масса газа,г/моль.1.4. Изучение технологических свойств для анализа состояния почвы1.4.1. Использование объемной массы при изучении уплотнения ирыхления почвыАнализ экспериментальных данных [34, 35, 120, 121] показываетотсутствие функциональной связи между оказываемым на почву давлением иее плотностью.

Между плотностью почвы и урожайностью существует35корреляция. Она указывает на возможность использования плотности вкачестве параметра при экспериментальной оценке уплотнения созданногопри работе почвообрабатывающих машин и влияния уплотняющеговоздействиянаурожай.Поэтомудляколичественногоописанияуплотненного состояния возможно использование величин функциональносвязанных с плотностью почвы.

В то же время, несмотря на то, что имеетместокорреляцияэтихвеличинсурожайностью,обобщеннаяфункциональная зависимость не получена или получена с ошибкойсделанной еще на этапе спецификации (поскольку в таких моделях не учтеныфакторы, оказывающие существенный вклад в процесс). Поэтому можносделать вывод о малоинформативности рассмотренных параметров дляописания уплотненного состояния и борьбы с ним. Многие исследователи, несмотря на этот факт, используют объемную массу (плотность), давлениедвижителей или твердость почвы для оценки крошения и рыхления почвы.Медведев В.В. [134] для оценки влияния уплотнения на урожайпредложил формулу:⎛ C γ ⎞у = уmax ⎜1 − − îïò ⎟ ,γ2 ⎠⎝(1.4.1)где уmax – соответствующая оптимальной плотности величина урожая (γопт);γ - плотность почвы, С - константа.Проверка соответствия результатов расчета по предложенной формулесэкспериментальнымитипичногочерноземаданнымидляпоказалаихдерново-подзолистойсогласованностьнапочвыивполнеудовлетворительном уровне.Ляско М.И.

предложил показатель уплотняющего воздействия U(кН/м), который отражает и механические характеристики почвы, итехнические характеристики машин [120]:U=1(ρсл - ρ0),α(1.4.2)где ρсл - плотность почвы в следе машины, кг/м3; ρ0 - плотность на36контрольном участке, кг/м3; α =ρ0(1-ν2)/(Е0 Н) - размерный коэффициент,с2/м2, Н - глубина распространения деформации; ν - коэффициент боковогорасширения почвы; Е0 - модуль деформации почвы.Уплотняющее воздействие оценивается по значениям показателярассчитываемого по формуле:U = ω b qmax v (1 + χ lg N),(1.4.3)где ω - коэффициент, для колесного движителя ω=1,25, для гусеничногодвижителя ω = (0,92 + 0,3 L/b)2/3, ω = 2,15 при L/b > 7; qmaxv- наибольшеедавление, которое оказывает не меняющая скорость v машина; N- числопроходов машины по одной и той же точке; χ = tgβ/(ρ1 - ρ0) - коэффициентинтенсивности накопления необратимых деформаций почвы, в котором βравен углу наклона зависимости ρ=ƒ(lgN), ρ0 - плотность почвы до проходатехники, ρ1 - плотность после 1-кратного прохода [131].Хотя зависимость (1.4.3) и показывает, что наиболее сильноуплотняется пахотный горизонт, она недостаточно четко отражает процесснакопления остаточных уплотнений слоев, расположенных на разныхглубинах.