CN103592201B - 测量土壤颗粒密度的体积置换方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量土壤颗粒密度的体积置换方法，通过体积置换的方式，以注水体积换算出土壤颗粒体积，烘干称量出土壤颗粒质量，从而计算土壤颗粒密度。本发明测量土壤颗粒密度的体积置换方法，通过湿土法或者干土法实现。本发明还提供本发明方法所用的设备，由恒容容器、称重设备、注水设备、烘干设备组成，其中恒容容器用于盛放待测土样，注水设备用于往恒容容器中注水，烘干设备用于烘干待测土样，称重设备用于称量质量。本发明的方法可适用于任意质地土壤的颗粒密度测量，操作过程简单、方便，克服长期以来测量土壤颗粒密度的比重瓶法、浮称法、虹吸筒法等存在的操作复杂、测量范围有局限性等问题。

Description

测量土壤颗粒密度的体积置换方法及设备

技术领域

本发明涉及土壤学领域，具体涉及一种测量土壤颗粒密度的体积置换方法及设备。

背景技术

土壤中固体颗粒对土中热量、水分、化学物质的保持、运移都有显著的影响。土壤颗粒密度，又称土壤比重，即单位体积土壤（不含孔隙）的烘干质量，其大小与土壤的矿物结构以及其化学组成有关，是土的基本物理性指标之一，也是计算孔隙比和评价土类等的主要指标，土壤颗粒密度的测定是土工常规物理试验的重要项目。

目前，测量土壤颗粒密度主要有比重瓶法、浮称法、虹吸筒法等。比重瓶法作为国内外使用较多的一种实验室测量的常规方法，虽然测量精度较高，但仅限于测量粒径小于5mm的土样，并且其测量操作过程较繁琐，在试验开始前要对仪器设备进行校准，且比重瓶需定期进行抽样校正，除此之外，该方法对试验的温度条件要求较高，测量误差因素多，重复性差。而浮称法、虹吸筒法等其他测量方法也有测量操作过程比较复杂、测量范围有局限性等缺点。

发明内容

为了克服长期以来测量土壤颗粒密度的比重瓶法、浮称法、虹吸筒法等存在的操作复杂、测量范围有局限性等问题，本发明旨在提供一种测量土壤颗粒密度的体积置换方法及设备。

本发明测量土壤颗粒密度的体积置换方法的原理如下：

土壤颗粒密度=土壤颗粒质量÷土壤颗粒体积

本发明通过体积置换的方式，以注水体积换算出土壤颗粒体积，烘干称量出土壤颗粒质量，就可计算土壤颗粒密度。可以通过湿土法或者干土法测定：

（1）湿土法

湿润土壤是由土壤颗粒、水和气体组成的三相混合体，湿润土壤的体积为土壤颗粒、水和气体三者的体积之和，但由于空气所占的质量很小，在测量计算中可以忽略不计，所以待测土样质量主要由土壤颗粒质量和待测土样含水质量确定，即待测土样质量≈土壤颗粒质量+待测土样含水质量。

待测土样装入恒容容器后，称重计算出待测土样质量。向装有待测土样的恒容容器中注满水，注水的过程是将恒容容器和待测土样中充气孔隙中的气体以水置换出来，称重即可计算出湿土法注水体积。烘干待测土样，得到待测土样含水体积与土壤颗粒质量，恒容容器容积减去湿土法注水体积和待测土样含水体积就得到了土壤颗粒体积，最后以土壤颗粒质量和土壤颗粒体积计算土壤颗粒密度。

（2）干土法

将待测土样烘干后装入恒容容器（也可装入恒容容器后再烘干），得出土壤颗粒质量，然后向装有烘干土的恒容容器中缓慢注满水，排尽气体，使土壤颗粒与注水充满恒容容器的空间，计算得到干土法注水体积，恒容容器容积减去干土法注水体积就得到了土壤颗粒体积，最后以土壤颗粒质量和土壤颗粒体积计算土壤颗粒密度。

无论是湿土法还是干土法，由于土样装得紧密还是装得松散都仅影响土壤中充气孔隙的情况，不会影响土壤颗粒质量和土壤颗粒体积，因此取样时可以任取待测土样。

本发明提供的一种测量土壤颗粒密度的体积置换方法，具体步骤如下：

1）湿土法

将待测土样装入容积V0、质量M0的恒容容器，称重记为M1；向装有待测土样的恒容容器中注满水，称重记为M2；烘干，称重记为M3；

计算公式如下：

土壤颗粒质量=M3-M0；

待测土样含水体积=（M1-M3）÷水密度；

湿土法注水体积=（M2-M1）÷水密度；

土壤颗粒体积=V0-湿土法注水体积-待测土样含水体积；

土壤颗粒密度=土壤颗粒质量÷土壤颗粒体积；

或2）干土法

将待测土样装入容积V0、质量M0的恒容容器烘干（也可烘干后再装入恒容容器），称重记为M3；向装有烘干土的恒容容器中缓慢注满水，称重记为M4；

计算公式如下：

土壤颗粒质量=M3-M0；

干土法注水体积=（M4-M3）÷水密度；

土壤颗粒体积=V0-干土法注水体积；

土壤颗粒密度=土壤颗粒质量÷土壤颗粒体积；

所述恒容容器由一个形状规则且不易变形的容器及其上端的液面定位盖组成，在液面定位盖上设有注水口，在容器口设有溢水口；通过在容器的上端加盖液面定位盖控制容器内的容积为恒定，通过注水口向恒容容器内缓慢补充液体，溢水口用于排出超出恒容容器容积的液体。

其中，所述烘干为105℃烘干72h。

其中，所述恒容容器优选为圆柱形、长方体或多棱柱等形状。

其中，所述恒容容器的材料要求有一定斥水性且不易变形，并可以耐105℃高温。陶瓷材料或一般的金属材料如铝、不锈钢、合金等均可。

其中，所述注满水，为往恒容容器内加水到液面接近恒容容器口，盖上液面定位盖，通过注水口缓慢向内滴水至溢水口处有水滴出现为止。

其中，计算过程可通过人工计算、计算器计算、计算机计算，优选为将测定的数据直接导入计算机，根据编入所需公式自动计算得出土壤颗粒密度。

本发明的另一目的是提供测量土壤颗粒密度的体积置换方法所用的设备，由恒容容器、称重设备、注水设备、烘干设备组成；其中恒容容器用于盛放待测土样，注水设备用于往恒容容器中注水，烘干设备用于烘干待测土样，称重设备用于称量质量。

其中，所述称重设备为天平，优选电子天平。

其中，所述注水设备优选滴管，更优选胶头滴管。

其中，所述计算设备优选计算机。

其中，所述烘干设备优选烘干箱。

本发明还提供所述测量土壤颗粒密度的体积置换方法在测定土壤物理性质中的应用。

本发明提供的优点是：

本发明的测量土壤颗粒密度的体积置换方法可适用于任意质地土壤的颗粒密度测量，操作过程简单、方便，克服长期以来测量土壤颗粒密度的比重瓶法、浮称法、虹吸筒法等存在的操作复杂、测量范围有局限性等问题，具有很好的应用前景。

本发明测量土壤颗粒密度的体积置换方法的设备稳定性良好，可以测量任意体积/质量土壤的初始质量和注水后土壤与水的总质量，通过计算得到土壤颗粒密度，方便、快捷、准确。

附图说明

图1实施例1中本发明测量土壤颗粒密度的体积置换方法所用设备的结构示意图。

图2实施例1中本发明测量土壤颗粒密度的体积置换方法所用设备中的恒容容器结构示意图。

图3实施例1中本发明测量土壤颗粒密度的体积置换方法所用设备中的恒容容器照片。

图4实施例5中本发明干土法和湿土法测量土壤颗粒密度的结果比较图。

其中，1为恒容容器，2为电子天平，3为胶头滴管，4为注水口，5为溢水口，6为液面定位盖。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1本发明测量土壤颗粒密度的体积置换方法所用设备

本发明测量土壤颗粒密度的体积置换方法所用设备结构图如图1所示，包括恒容容器1、称重设备电子天平2(上海卓精电子科技有限公司，型号：BSM-5200.2)、注水设备胶头滴管3(实验室常用的普通玻璃质胶头滴管)、烘干设备为烘干箱(中外合资重庆四达实验仪器有限公司，型号：CS101-1E)(图中未显示)。

其中，恒容容器1(包括去掉液面定位盖的恒容容器和液面定位盖)的结构示意图如图2所示，实物照片见图3。恒容容器1为一个圆柱形带液面定位盖容器，在液面定位盖6上设有注水口4，在容器口设有溢水口5。恒容容器1内径75mm，外径81mm，高63mm，壁厚3mm，其液面定位盖6厚3mm。溢水口5深3mm，宽度5mm，为向内切割45°；注水口4下端口直径为2mm，上端口直径略大于下端口。恒容容器1材料为金属材料。

实施例2测量土壤颗粒密度的体积置换方法——湿土法

所用设备参见实施例1。

所用土壤为4种土壤材料，分别为采自陕西杨凌的黏黄土、北京的粉壤土、吉林的黑土和江西的黏红土(以下分别称为T1、T2、T3、T4），以检验该方法对不同土壤的测量精准度。T1、T2、T3、T4分别预制成5种设计含水率：10%、15%、20%、25%、30%。重复测量3～4次。

测定方法如下：

将待测土样装入容积V0、质量M0的恒容容器，称重记为M1；向装有待测土样的恒容容器中注水，当液面接近恒容容器口时停止注水，盖上液面定位盖，然后用胶头滴管通过注水口继续缓慢向恒容容器中逐滴加水，直到溢水口处有水滴出现时停止，此时土壤颗粒与水充满恒容容器，土样达到饱和状态，注入的水将原来存在于土样中的空气全部置换出来。用吸水纸擦净恒容容器壁上残留的水渍，电子秤读数稳定不变时读取数值，称重记为M2；烘干，称重记为M3；

计算公式如下：

土壤颗粒质量=M3-M0；

待测土样含水体积=（M1-M3）÷水密度；

湿土法注水体积=（M2-M1）÷水密度；

土壤颗粒体积=V0-湿土法注水体积-待测土样含水体积；

土壤颗粒密度=土壤颗粒质量÷土壤颗粒体积。

测量结果取重复测量数据的平均值，可以得到4种土壤在不同设计含水率条件下测得的土壤颗粒密度。结果如表1所示：

表1湿土法通过体积置换测量土壤颗粒密度的结果

实施例3测量土壤颗粒密度的体积置换方法——干土法

所用设备参见实施例1。

所用土壤为4种土壤材料，分别为采自陕西杨凌的黏黄土、北京的粉壤土、吉林的黑土和江西的黏红土（以下分别称为T1、T2、T3、T4），以检验该方法对不同土壤的测量精准度。T1、T2、T3、T4分别预制成5种设计含水率：10%、15%、20%、25%、30%。重复测量3～4次。

测定方法如下：

将待测土样装入容积V0、质量M0的恒容容器烘干，称重记为M3；向装有烘干土的恒容容器中缓慢注水，当液面接近恒容容器口时停止注水，盖上液面定位盖，然后用胶头滴管通过注水口继续缓慢向恒容容器中逐滴加水，直到溢水口处有水滴出现时停止，此时土壤颗粒与水充满恒容容器，土样达到饱和状态，注入的水将原来存在于土样中的空气全部置换出来。用吸水纸擦净恒容容器壁上残留的水渍，电子秤读数稳定不变时读取数值，称重记为M4；

计算公式如下：

土壤颗粒质量=M3-M0；

干土法注水体积=（M4-M3）÷水密度；

土壤颗粒体积=V0-干土法注水体积；

土壤颗粒密度=土壤颗粒质量÷土壤颗粒体积。

测量结果取重复测量数据的平均值，可以得到4种土壤在不同设计含水率条件下测得的土壤颗粒密度。结果见表2。

表2干土法通过体积置换测量土壤颗粒密度的结果

实施例4干土法和湿土法测定结果的比较

干土法测定过程参见实施例3，湿土法的测定过程参见实施例2。

依据实施例2和3的测定结果绘制本发明干土法和湿土法测量土壤颗粒密度的结果比较图，为图4。

由图4可以看出，使用该设备通过干土法和湿土法2种途径测得的土壤颗粒密度具有很好的一一对应关系，测量结果比较的相对误差在0.1%左右，表明本发明的方法测量的合理性。

实测数据表明，本发明所用的设备工作性能稳定，测量结果具有较高精度，并且本发明的方法测量过程简单、省时省力，可以应用于任意质地土壤的颗粒密度测量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种测量土壤颗粒密度的体积置换方法，具体步骤如下：

1）湿土法

将待测土样装入容积V0、质量M0的恒容容器，称重记为M1；向装有待测土样的恒容容器中注满水，称重记为M2；烘干，称重记为M3；

计算公式如下：

土壤颗粒质量=M3-M0；

待测土样含水体积=（M1-M3）÷水密度；

湿土法注水体积=（M2-M1）÷水密度；

土壤颗粒体积=V0-湿土法注水体积-待测土样含水体积；

土壤颗粒密度=土壤颗粒质量÷土壤颗粒体积；

或2）干土法

将待测土样烘干后装入容积V0、质量M0的恒容容器内，称重记为M3；向装有烘干土的恒容容器中缓慢注满水，称重记为M4；

计算公式如下：

土壤颗粒质量=M3-M0；

干土法注水体积=（M4-M3）÷水密度；

土壤颗粒体积=V0-干土法注水体积；

土壤颗粒密度=土壤颗粒质量÷土壤颗粒体积；

所述恒容容器由一个形状规则且不易变形的容器及其上端的液面定位盖组成，在液面定位盖上设有注水口，在容器口设有溢水口；通过在容器的上端加盖液面定位盖控制容器内的容积为恒定，通过注水口向恒容容器内缓慢补充液体，溢水口用于排出超出恒容容器容积的液体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烘干为105℃烘干72h。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述注满水，为往恒容容器内加水到液面接近恒容容器口，盖上液面定位盖，通过注水口缓慢向内滴水至溢水口处有水滴出现为止。

4.权利要求1-3任一项所述方法所用的设备，其特征在于，由恒容容器、称重设备、注水设备、烘干设备组成；其中恒容容器用于盛放待测土样，注水设备用于往恒容容器中注水，烘干设备用于烘干待测土样，称重设备用于称量质量。

5.权利要求4所述的设备，其特征在于，所述称重设备为天平。

6.权利要求5所述的设备，其特征在于，所述称重设备为电子天平。

7.权利要求4所述的设备，其特征在于，所述注水设备为滴管。

8.权利要求4所述的设备，其特征在于，所述烘干设备为烘干箱。

9.权利要求1-3任一项所述方法在测定土壤物理性质中的应用。