CN104880387A - 一种量测斥水性土壤接触角试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量测斥水性土壤接触角试验装置，包括位于底座上的温控等水位循环水槽，用于为土壤样品提供温度恒定的润湿液；支撑架，其下端连接于温控等水位循环水槽，上端连接于固定支架；固定支架，为具有间隔的双层板，下层板上设有供土柱穿过的孔，上层板连接有称重装置，称重装置的下端挂载土柱；土柱，用于装纳土壤样品。本发明公开的试验装置能够简单快捷的直接获得斥水性土壤接触角，清晰直观的呈现土壤斥水性的等级。

Description

一种量测斥水性土壤接触角试验装置

技术领域

本发明涉及一种试验装置，尤其涉及用于量测斥水性土壤接触角的试验装置。

背景技术

土壤的斥水性是指水分不能或者很难湿润土壤颗粒表面的物理现象，由于水分不会自动渗入土壤，以水滴状停留在土表。具有斥水性的土壤称为斥水土，反之为亲水土。土壤并非完全可润湿或不可润湿，但都存在一定程度的斥水性。土壤斥水性会导致其渗透率和导水率小于亲水土壤，灌溉或降雨时水分易在斥水土表面形成积水，水分优先入渗进亲水土壤会加速土壤的侵蚀，严重时会导致水分更快速的流向下水道、河流、海洋等而造成水土流失，同时伴随土壤养分和农药的流失。上述情况的出现会降低种子的发芽率、农田产量，增加地下水的污染程度，浪费水资源，给环境带来极大的负面影响。

解决上述问题的前提是了解和确定土壤斥水性的级别。为了准确评价土壤的斥水性，本领域提出了接触角的概念。一定体积液体滴到斥水土表面会形成一个平衡液滴，其形状由固、液、气三相交界处任意两相间之夹角所决定，规定在三相交界处自固-液界面经液滴内部至气液界面之夹角为平衡接触角，接触角越小湿润性越好，以θ表示θ＝0°时土壤为湿润性土；0°<θ<90°时存在一定的斥水性，此时土壤为亚临界性斥水性；θ>90°时不润湿，θ越大润湿性能越差，此时土壤表现为斥水性。

由于土壤的颗粒很小、表面不光滑，直接检测和确定接触角存在一定的困难，因此目前本领域采用滴水穿透时间法(water drop penetration time,WDPT)、酒精溶液入渗法(Molarity of Ethanol Droplet,MED)、固着液滴法(Sessile DropMethod)等间接测试接触角，确定获取土壤斥水性的等级。这些方法或操作繁琐或物理意义不明确，并且直观性差，为研究土壤斥水性和防治其危害带来了困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种量测斥水性土壤接触角试验装置，可以直接用于计算接触角的大小，清晰直观的呈现土壤斥水性的等级，为研究斥水性土壤和防治其危害提供有效的技术指导。

具体的说，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种量测斥水性土壤接触角试验装置，包括位于底座上的温控等水位循环水槽，用于为土壤样品提供温度恒定的润湿液；支撑架，其下端连接于底座，上端连接于固定支架；固定支架，为具有间隔的双层板，下层板上设有供土柱穿过的孔，上层板连接有称重装置，称重装置的下端挂载土柱；土柱，用于装纳土壤样品。

通过上述装置，调整固定支架的位置使得土柱恰好进入温控等水位循环水槽，记录毛细水上升过程中土柱的质量变化和对应的时间，根据湿润过程中填充土壤内液体质量对时间的变化即可求取液体对土柱内的斥水性土壤样品的接触角。

为了广泛适应于各种土壤，大尺度上灵活调节固定支架的位置，所述支撑架为伸缩支撑架，支撑架的一端为螺纹结构，另一端为螺钉结构。

通过螺纹结构，将支撑架固定安装在底座上，并通过螺钉结构支撑固定支架于温控等水位循环水槽的正上方；通过伸缩调节固定支架在水槽上方的高度。

为了保证支撑架必要的使用寿命，通常支撑架由硬质金属或金属合金制成，优选采用不锈钢材料制成。

为了尽可能同时进行多组测试，减少固定支架表面的面积浪费，所述固定支架为圆形，均匀分布有多个孔，与支撑架通过螺栓连接。

为了提高试验的准确性，节约测试时间，同样性质(颗分、容重等)的土柱在甲醇与蒸馏水的混合溶液(或单独采用蒸馏水)和另一种对土壤湿润接触角为零的液体中测试两次，所述温控等水位循环水槽为圆柱型水槽，由底座上的阻隔板分成两个工作区域，两个工作区域分别容纳甲醇与蒸馏水的混合溶液(或蒸馏水)和另一对土壤湿润接触角为零的液体。在此情况下，每个工作区域对应半圆形的固定支架。

在本发明的试验装置中，为了防止土柱中的土壤样品滑落，其下端由由玻璃棉封闭。

为了防止玻璃棉对试验结果的影响，上述所用的玻璃棉预先用湿润液体侵泡并煮过。

尽管可以通过量尺等测量毛细水在土柱中土壤样品的上升高度，为了便于读数，优选土柱为表面刻有刻度的管。

在本发明中，为了防止温度变化影响表面张力和接触角，通过温控等水位循环水槽为试验装置提供温度恒定的水，本领域已知的任何可提供恒温水的结构均可用于本发明，包括但不限于如下：

1、温控等水位循环水槽包括由溢流板分成的供水腔和溢流腔，供水腔通过输水管道连接至供水箱，输水管道浸入到充满水的加热箱中；溢流腔底部设置排水孔，排水孔通过出水管道连接至供水箱；加热箱和供水箱之间的管道上设置有蠕动泵驱动水循环。

2、温控等水位循环水槽包括由溢流板分成的供水腔和溢流腔，供水腔通过输水管道连接至供水箱；溢流腔底部设置排水孔，排水孔通过出水管道连接至供水箱；供水腔底部填充加热板，加热板连接温控设备；在输水管道上设置有蠕动泵驱动水循环。

上述所公开的两种结构，均可通过蠕动泵驱动水的流动，并通过所采用的加热设备保证供水腔中的水温恒定。

为了更好的控制和了解水温，供水腔中还设有温度传感器，所述温度传感器连接至计算机数据采集系统。

本发明所公开的试验装置基于Washburn导出的动力学方程重量法原理实现对接触角的计算，其计算公式为接触角其中，γ为液体的表面张力，mN/m；η为液体的粘度，mPa×s；k_参由对测试土壤样品润湿接触角为零度的参照液体确定，其计算方式为k的计算与其类似，为m²-t的关系图拟合得到直线的斜率。

通过上述改进，本发明的装置能够在最短的操作时间和操作次数下快速、准确、直接得到待测土壤样品的接触角。

附图说明

图1为本发明的试验装置的结构示意图。

在附图中，各数字含义如下：1-底座，11-阻隔板，21-供水腔，22-溢流腔，31-加热箱，32-蠕动泵，33-供水箱，4-支撑架，51-固定支架上层板，52-固定支架下层板，6-弹簧秤，7-土柱，71-土壤样品，72-玻璃棉。

具体实施方式

下面结合附图以及具体试验装置示例对本发明的实现方式及其原理进行进一步的解释。在下述实施中，申请人对本发明试验装置的大小、材质、形状等进行了详尽的说明，这仅仅是示意性的，并不构成特别限定，所提供的附图也非按比例绘制。本领域技术人员在理解和掌握本发明实质精神的基础上，对其所进行的改进依旧属于本发明的保护范围。

参考附图1，本发明所公开的试验装置，主要由如下几个部件构成：

位于底座1上的温控等水位循环水槽，是一个高160mm、直径700mm圆柱型水槽，由厚80mm、高280mm阻隔板11分成两个工作区域(为了图示的方便，图中仅对一侧进行了标识)。每一个工作区域由厚10mm高200mm的溢流板分成供水腔21和溢流腔22。其中左侧的工作区域可用于利用完全润湿的参比液体计算相关常数，右侧用于计算水对土壤样品的接触角。

为了调节温度的方便，保证温度恒定，供水腔底部填充厚6mm的加热板，加热板连接温控设备，以保证水温处于恒温状态。，与蠕动泵连接，将多余的水。

溢流腔22底部设置排水孔，通过蠕动泵32将多余的水循环至供水箱33，其中供水箱33的规格为200mm×200mm×200mm，由厚10mm的PVC材料制作。通过定流量的蠕动泵给试验装置供水。

加热箱31大小为50mm×50mm×200mm，由厚10mm的PVC材料制作，加热箱底部放置温控加热棒，加热箱中充满水。将蠕动泵的水管放置于加热箱中，通过水箱中的热水加热蠕动泵中的水。

在底座上固定有伸缩支撑架4，其为直径60mm，高600mm的不锈钢伸缩支架，其一头有长50mm螺纹结构，另一头有长50mm螺钉结构。

在支撑架4的顶部固定有固定支架，该固定支架由两个厚20mm直径460mm半圆构成，该固定支架分别上层板51和下层板52，每个半圆板上均匀分布有16个直径30mm的孔。

在两层板支架设有弹簧秤6作为称重装置，弹簧秤的上端挂在固定支架的上层板，下端的挂钩用金属丝悬挂穿过圆孔的土柱7。

土柱7为表面刻有刻度的直径30mm壁厚3mm的PVC塑料管，其上端填充测试用土壤样品71，下端用玻璃棉72封闭。

上述的试验装置，土柱置于供水腔前，土壤为原始状态，土柱进入水槽液面后，水从土柱底部上升，最终达到稳定的上升高度，此高度即毛细水上升高度h。

上述装置的使用步骤为：

准确称取一定量的土壤装入土柱后不断振动，直到土壤填充高度不再降低为止，下端用玻璃棉(用湿润液体侵泡并煮过)封好。

蠕动泵的水管一头放置于供水箱33中，另一头放置于供水腔21中；用排水管连接溢流腔22底部的排水孔和供水箱33；灌水后用蠕动泵为供水腔21灌水的水管放置于加热箱的水中。试验过程中适时的为供水箱加溶液。

水灌满后，打开加热设备直到加热箱31和供水腔21达到目标温度(用供水腔底部的加热板使水温恒定)。

将固定支架调整到土柱深入供水腔2mm处，固定土柱。

记录开始时间t₀，同时记录毛细水上升过程中土柱的质量变化m₁，m₂，m₃，m₄，m₅和对应的时间t₁，t₂，t₃，t₄，t₅。

根据湿润过程中填充土壤内液体质量对时间的变化求取液体对斥水性土壤的接触角，该过程可以用动态渗透压力法的间接方法——重量法来描述：

$h^2=\frac{Cr\mathrm{\&gamma;}cos\mathrm{\&theta;}}{2\mathrm{\&eta;}}t---\left(1\right)$

m＝ρC′πR²h    (2)

以上公式中，假定土柱由许多毛细管簇组成且液体润湿过程为层流,根据Washburn定律得到式(1)，其中，h为湿润高度，cm；C为常数，1；r为土壤见空隙的当量毛细管有效半径，cm，对指定的体系来说C、r为定值。γ为液体表面张力，mN/m；η为液体粘度，mPa×s；t为湿润时间，s。

式(2)为理论上土壤内液体质量和湿润高度的关系，ρ为湿润液体密度，g/cm³；C′为毛细管底面积与玻璃管底面积的转换系数；R为土柱半径，cm。

式(3)为湿润液体湿润土柱所产生的质量差的平方对时间t的直线关系的斜率，当采用参比液体时，由于参比液体的对土壤完全湿润，其接触角为0°，利用参比液体的斜率k可以求得C、r。

式(4)为待测试斥水土壤接触角的值，由于甲醇和水的混合溶液或蒸馏水的粘度、表面张力可以测得或已知，通过这个公式求得接触角结果。

在上述操作中，试验溶液所用的参比液体的对土壤完全湿润，具体可根据实际需要进行选择，常用的试验溶液正己烷。

为了准确检测水温，还可以将温度传感器放于供水腔中，通过计算机数据采集系统实时采集供水腔中的水温信息。

与传统的间接计算方法相比，本发明可清晰、直观测试斥水性土壤的接触角，观察斥水性土壤中的毛细水分布情况及湿润锋的变化规律。通过调整仪器高度，可以测量各种质地斥水性土壤的接触角。

本发明的试验装置，通过结构改进提高了测试效率，在同等体积下使测试数目达到最优状态，一次可以测试26个不同土柱的毛细水上升高度，因此节约了时间，提高了工作效率。

Claims (9)

1.一种量测斥水性土壤接触角试验装置，其特征在于包括位于底座上的温控等水位循环水槽，用于为土壤样品提供温度恒定的润湿液；支撑架，其下端连接于底座中，上端连接于固定支架；固定支架，为具有间隔的双层板，下层板上设有供土柱穿过的孔，上层板连接有称重装置，称重装置的下端挂载土柱；土柱，用于装纳土壤样品。

2.根据权利要求1的试验装置，其特征在于所述支撑架为伸缩支撑架，支撑架的一端为螺纹结构，另一端为螺钉结构。

3.根据权利要求1的试验装置，其特征在于所述固定支架为半圆形，均匀分布有多个孔，与支撑架通过螺栓连接。

4.根据权利要求1的试验装置，其特征在于所述温控等水位循环水槽为圆柱型水槽，由底座上的阻隔板分成两个工作区域，每个工作区域对应半圆形的固定支架。

5.根据权利要求1的试验装置，其特征在于所述土柱下端由玻璃棉封闭。

6.根据权利要求1的试验装置，其特征在于所述土柱为表面刻有刻度的管。

7.根据权利要求1的试验装置，其特征在于所述温控等水位循环水槽包括由溢流板分成的供水腔和溢流腔，供水腔通过输水管道连接至供水箱，输水管道浸入到充满水的加热箱中；溢流腔底部设置排水孔，排水孔通过出水管道连接至供水箱；加热箱、供水箱和供水腔之间的管道上设置有蠕动泵驱动水循环。

8.根据权利要求1的试验装置，其特征在于所述温控等水位循环水槽包括由溢流板分成的供水腔和溢流腔，供水腔通过输水管道连接至供水箱；溢流腔底部设置排水孔，排水孔通过出水管道连接至供水箱；供水腔底部填充加热板，加热板连接温控设备；在输水管道上设置有蠕动泵驱动水循环。

9.根据权利要求7或8的试验装置，其特征在于供水腔中还设有温度传感器，所述温度传感器连接至计算机数据采集系统。