CN1341850A

CN1341850A - 大量程士壤水吸力测量技术及其吸力平板的制作工艺

Info

Publication number: CN1341850A
Application number: CN 01108004
Authority: CN
Inventors: 徐富安
Original assignee: Institute of Soil Science of CAS
Current assignee: Institute of Soil Science of CAS
Priority date: 2001-01-04
Filing date: 2001-01-04
Publication date: 2002-03-27
Anticipated expiration: 2021-01-04
Also published as: CN1128997C

Abstract

本发明以提高测量精度及扩大测量范围为目的,提供了一种用常规的吸力平板仪测量大量程土壤水吸力的技术及吸力平板的制作工艺,用该工艺制作的吸力平板与已有公知的其他测量部件配合,构成的吸力平板仪,可达到测量0－90kpa和大于3.3微米的孔隙度。本发明的关键在于将测量量程分为两段,低段使用石英砂吸力平板,高段使用高岭土吸力平板,高岭土吸力平板的结构为上述细石英砂层之上再设置一层高岭土层。

Description

大量程土壤水吸力测量技术及其吸力平板的制作工艺

本发明涉及用常规的吸力平板仪测量大量程(0-90kpa)土壤水吸力的技术及其吸力平板的制作工艺，属土壤分析仪器测试领域。

吸力平板仪是土壤实验室里一种多用途的常规仪器，可用于测定土壤水分特性曲线以及可测出土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度，不同含水条件下的土壤三相比等一系列土壤物理参数。目前已使用的有砂蕊漏斗吸力平板仪，但它有易漏气、易破损、精度不够等缺点。英国的一种吸力平板仪最大测定土壤水吸力范围为0-40kpa，只能测定土壤中大于7.5微米的各类孔隙度容积，测量范围受到限制。

本发明以提高测量精度及扩大测量范围为目的，提供了一种用常规的吸力平板仪测量大量程土壤水吸力的技术及吸力平板的制作工艺，用该工艺制作的吸力平板与已有公知的其他测量部件配合，构成的吸力平板仪，可达到测量0-90kpa和大于3.3微米的孔隙度。

在叙述本发明的内容前，让我们首先了解一下吸力平板仪的测量原理。所谓吸力平板仪的吸力平板即将一定粗细的砂、土压实成平板，吸力平板充水后，期间的细微孔隙具有很强的持水能力，若在平板下施加一个吸力P(负压)。这个吸力若小于平板内最大孔隙的持水力(毛管引力)时，这种平板只能渗过水流，而不能透过空气。

若平板上放置一块被水分饱和了的土样，平板下的吸力为P。土样中一部分水分将通过平板向下渗流。直到土壤的持水力与吸力P相等时，向下运动的水流就停止。如果，再增加吸力，由土样通过平板的水流又开始了。直至土壤持水力与新施加的吸力相等，达到平衡，水分不再运动，记录每一次施加的吸力P值。称重每次达到平衡后的试样。我们就可得到一系列水分吸力与土壤含水量的对应值。将这些对应值在方格纸上作图，就可得出土壤水分特征曲线。

根据茹林公式，可以算出与相应吸力相当的土壤孔隙直径。

式中：d-与吸力相当的土壤孔隙直径(毫米)

p-吸力平板下所施加的吸力(厘米水柱高)

这样我们就可从不同吸力下土壤释出的水量，进一步就可绘出土壤孔隙的累积曲线和分布曲线。

当然，仪器可测定的土壤吸力范围与吸力平板的本身孔径有关。平板本身的孔隙组成愈细。它所能测定的土壤吸力范围就愈大。但是，这时流经平板的水流速度也愈慢。用过细的平板去测定低吸力区段的土壤水量(或孔隙量)，将使测试时间大大延长。比较理想的吸力平板的孔隙组成，应稍小于被测的多孔体孔径。二者的孔径差异最好在一个数量级左右。这样，测定时既不会发生漏气现象，又使测定所需的平衡时间大为缩短。

依据上述原理，为了使测量量程扩大多个数量级，本发明的关键在于用常规的吸力平板仪进行测量，该吸力平板仪包括吸力平板及其与其配套的其他公知测量部件，其特征是将测量量程分解为由低至高至少两段，每段测量范围分别选用孔隙度不同的吸力平板。将测量量程分为两段，低段使用石英砂吸力平板，用公知的水柱平衡法及其相应的测量部件完成0-10kpa范围测量，高段使用高岭土吸力平板，用公知的减压法及其相应的测量部件完成10-90kpa范围测量。石英砂吸力平板的结构为在一容器内，自容器底面起向上依次设置紧实的粗石英砂层和细石英砂层，二层间设有隔离布，容器底面上设有通负压的孔；所说高岭土吸力平板的结构为上述细石英砂层之上再设置一层高岭土层。石英砂吸力平板中粗石英砂粒径为1-2mm，细石英砂粒径为20-100um，粗石英砂层厚为2-3cm，细石英砂层厚7-9cm，二层之间为化纤布隔离，高岭土粒径10um左右，层厚10mm左右。制作石英砂吸力平板，步骤如下：取铝锅或不锈钢锅作为容器，底上打孔，并接上导气(水)螺栓。先在容器底部放置2-3cm厚的粒径为1-2mm的粗石英砂，注水，摇动容器，使石英砂尽量紧实。然后在其上复盖一层不易腐烂的布料。在布料之上放置5cm左右厚、粒径为20-100um的细石英粉。加水至石英粉表面，推平石英粉，用橡皮管使真空泵系统与容器底部导气螺栓相连，一边搅动细砂，一边缓缓在容器底部抽吸水份。当水面降至砂面时，关闭真空泵阀门，按动石英粉表面，使石英颗粒发生位移趋向致密排列。揉动3-5分钟后，再缓缓打开真空泵阀门，再次吸收石英砂表面水份，当水层刚从砂面上消失，立即关闭真空泵阀门，再在砂面上用力按动，使石英颗粒的排列进一步趋紧，砂面上又一次出现浅水层，然后再次吸水，再按动砂面……，如此反复4-5次，直至砂面上再也按不出水层为上。再一次倒入细石英粉5cm左右，重复以上操作，使吸力平板的致密细石英粉总厚达8cm左右。20-100um的细石英粉中，20-60um颗粒至少应占90％，其余为60-100um颗粒。在容器底部的吸水速率为每分钟10-200毫升。按动石英粉表面使石英颗粒位移的揉动用力频率为1.5秒一次。在制成石英砂吸力平板的基础上，再制作高岭土吸力平板，步骤如下：将高岭土矿粉碎、磨细过0.5mm筛，然后按土水比1∶5混合后，在超声波清洗器内处理15-25分钟，使高岭土细粉进一步分散成悬浊液；将此浆体淀清后，倒去表层清水后倒入石英砂平板内。将吸力平板联接在真空泵系统中，对其施加60kpa吸力，随着水份的析出，高岭土浆逐渐变干，并出现裂缝。应将裂缝、裂隙抹平后继续进行施加负压脱水，当高岭土进入塑性阶段时，对高岭土表面施力拍打，并保持高岭土表面表整，然后对平板施加90kpa以上吸力，继续脱水，再进行拍打、抹平……直至脱水过程中高岭土表面肉眼不见缝隙。在石英平板与容器壁的接触部位用刀片挖出宽1cm，深1.5cm的石英粉，将高岭土充填其中，以增加容器壁附近高岭土厚度。高岭土浆脱水过程中，进入塑性阶段时(含水量＜27％)，方可击打平板表面。

附图及实施例：

图1为0-10kpa石英吸力平板仪示意图；

图2为10-90kpa高岭土吸力平板仪示意图。

参看图1为石英砂吸力平板装置的示意图，用来测定0-10千帕斯卡吸力范围。其工作原理为水柱平衡法。整个装置由水位瓶1、供水瓶2、沉淀瓶3和石英砂平板砂浴四部分组成。石英砂平板是在容器(铝锅)4内，由底部向上设置粗石英砂层5、细石英砂层6构成，二层之间有化纤布7隔离，容器底部有导水(气)螺柱8，整个石英砂平板置于木架9上。石英砂浴上放置土壤试样10，试样通常用环刀在田间直接采取。吸力大小由水位瓶控制，吸力h(厘米水)即为土壤样品的中点(样品平均高度)到排水面的垂直距离(厘米数)。当水分饱和后的土样放入砂浴后，土样中吸力小于h厘米水的那部分土壤孔隙内的水分，经排水孔排出。相反，若土壤样品的吸力大于h厘米水时，此时排水口成为进气口，随着空气进入，水由水位瓶补给土样，直至土样的吸力等于h厘米水为止。供水瓶也是为了保持砂浴内经常充满水而设置的。试验结束后，可打开供水瓶开关K₁及砂浴的连接开关K₃，使砂浴中充满水。12为水位瓶支架，11为水位瓶的排水口也是进气口，K₂、K₄也是阀门开关。

参看图2，10-90千帕斯卡土壤含水量测量是在高岭土吸力平板上进行的。它是由真空泵1、水汽吸收瓶2、缓冲瓶3、水银压力计12和高岭土吸力平板等部分所组成。高岭土吸力平板是在铝锅容器4内，由底部向上设置粗石英砂层5，细石英砂层6，二层之间有化纤隔离布7，细石英砂层之上再设高岭土层11，8为容器底部的导气(水)螺栓，9为木架，10为土样。T1-T5为阀门开关。测定是用减压法原理进行的。真空泵实施减压，水银压力计显示所施加的吸力即二臂水银柱的高差h(厘米)乘系数1.36为吸力的千帕斯卡数。水汽吸收瓶与1000ML缓冲瓶均为保护真空泵所设。前者用150毫升浓硫酸(每年换一次新的)，后者为一空瓶，防止浓硫酸浅入真空泵。

进行测量的步骤如下：将采好土样的环刀放在水槽里，每个环刀下填有透水石。为了防止土壤在泡水后的散落，可在环刀下方垫一层滤纸。若装的是松散土样，环刀下不但要放一张滤纸，还要用纱布扎好。然后，向水槽内注水，水面超过透水石约10m，放置2小时，使水自然上吸，再加水至离环部上缘半厘米处，放置一昼夜使土壤被水饱和，特别紧实，粘重的土样泡水时间应延长。土壤饱和后，将水槽中水放去，使水面与透水石上缘相平。这时环刀内土样平均承受的吸力(毫巴数)为环刀高度(厘米数)的一半。假如环刀高为5厘米，则其吸力为2.5厘米水。如此放置24小时。然后，将环刀取出，用干布抹去环刀外面水分，称得重量为g3(精确到0.1克)。

称重后的土样放入石英砂，调节水位瓶的高度，使h等于15厘米，关闭K₁、K₄阀门。打开K₂、K₃阀门。放置24小时后，称重土样。得重量g₄。称重后土样仍放回石英砂浴。再调节水位高度，使h等于30厘米。24小时后，再称土样得重量g₅。接着再做h等于60、100厘米水柱吸力级。

在石英浴做完100厘米水柱吸力这一级后，土样放入高岭土吸力平板装置，依次做300、600、900厘米水柱各级。开动真空泵，打开T₂、T₃、T₄，使压力计指示在相应的吸力值。然后将T₂处关紧即可。如300厘米水柱吸力时，水银压力计二臂的高差应是22.1厘米。水银压力计始终指示在同一压力值上，否则应开动真空泵调正。

在石英砂吸力平板上，每测试一级，所需平衡时间为24小时，在高岭土吸力平板上，300、600、900厘米水柱这三级所需测定平衡时间分别为3天、7天和15天。平衡时间的延长是由于土壤愈干、土中水流速度愈慢的缘故。需要测试那一吸力、一共测试几级，这由研究者根据所研究的问题的需要来决定，通常可测2.5、15、30、60、300、600厘米水柱这几级。在高岭土吸力平板上做完最后一级以后，将土样在电热板上烘干，再在烘箱里105℃烘至恒重(称得g₂)。最后，称出各环刀重量g₁，并测量烘干后土柱的高和直径，就可进行计算。

实验所得的基本数据列表如下。根据这些基本数据进行各种土壤物理参数的运算。

土样号	环刀^*重g₁	环刀+烘干土重g₂	烘干土柱高cm	烘干土直径cm	不同吸力时环刀+土样重g
					不同吸力时环刀+土样重g						2.5mbg₃	15mbg₄	30mbg₅	60mbg₆	300mbg₇	600mbg₈
					10	118.0	238.0	4.92	4.88	283.0	2.5mbg₃	15mbg₄	30mbg₅	60mbg₆	300mbg₇	600mbg₈	280.2	277.1	273.5	266.4	263.0

^*环刀体积100立方厘米

(一)不同吸力时土壤含水量计算：

2.5厘米时土壤含水量

W_{1} % = \frac{g_{3} - g_{2}}{g_{2} - g_{1}} \times 100

15厘米时土壤含水量

W_{2} % = \frac{g_{4} - g_{2}}{g_{2} - g_{1}} \times 100

600厘米时土壤含水量

W_{6} % = \frac{g_{8} - g_{2}}{g_{2} - g_{1}} \times 100

这样，我们就可得到一系列土壤吸力与土壤含水量的对应值，据此可以绘出土壤水分特征曲线。

(二)土壤容重：

d_{v} = \frac{g_{2} - g_{1}}{v}

d_v-土壤容重，克/立方厘米

V-环刀体积，立方厘米

(三)土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度；

土壤总孔隙度

P_{1} % = (1 - \frac{d_{v}}{D}) \times 100

这里：D-土壤比重，通常为2.65左右

土壤毛管孔隙度

P_{2} % = (\frac{g_{3} - g_{2}}{v}) \times 100

土壤非毛管孔隙度P₂％＝P₁-P₂

(四)土壤各级当量孔隙度(容积孔隙度)

按茹林公式可以算得：2.5、15、30、60、300、600厘米水柱吸力时，其能持水的最大土壤当量孔径分别为1200、200、100、50、10、5微米，从测量基本数据我们可以算得：

这里V-环刀容积，立方厘米。

用这些数据可以绘制出土壤孔隙累积曲线和土壤孔隙分布曲线。也可以知道在不同土壤吸力条件下，土壤的持水和充气孔隙数量。例如，若土壤的总孔隙度为55.6％。从表中数据可算出

这就是说，当吸力为300毫巴时，土壤持水孔隙度为28.4％，而充气孔隙度为55.6％-28.4％＝27.2％。

(五)土壤三相比的计算：

根据表中数据，以计算吸力为2.5毫巴时土壤固、液、气三相容积比例为：

(d_v/D)∶(g₃-g₂)/V∶P₁-(g₃-g₂)/V＝

1.20/2.70∶(283.0-238.0)/100∶55.6％-(283.0-238.0)/100＝

0.44∶0.45∶0.11＝1∶1∶0.25

这里土壤比重取2.70。

通常我们需要了解田间持水量状态下，田间土壤的三相比，对砂质、壤质、粘质土壤来说，大体上分别相当于50、100、300毫巴吸力时的三相比例。

(六)土体收缩量：

土壤由水分饱和到烘干后的体积变化，它反映出土壤孔隙的稳定性和胶体特性。土体收缩量可用下式计算：

这里：V-环刀体积，立方厘米。

R-烘干后土柱直径，厘米。

H-烘干后土柱高度，厘米。

上述各项计算虽然都是简单的算术运算，但当测定样品较多时，计算将是冗长乏味的工作。这时，我们可借助计算计进行计算。

石英砂吸力平板制作工艺中，从理论上计算，要能耐往10kpa吸力(真空度)，组成的多孔土体其所有孔隙直径均应小于30微米]。这就需要二个条件。一是其组成的固体颗粒粒径应小于100微米；二是这些颗粒均处于致密排列的状态。我们备用的细石英粉粒径多处于20-60微米之间，少数60-100微米，在紧排列情况下，其中20微米左右细粒可嵌充较大颗粒排列形成的孔隙。因此，实验证明，在使颗粒实施致密排列之后，该吸力平板可耐往15kpa吸力而不漏气。要使颗粒排列由松趋紧，必须具备两个条件，一是颗粒表面有水膜(有水膜才易发生粒间滑动)，二是需外力推动。过干的石英粉，即使有外力作用也排不紧密。有水膜时，没有外力作用，颗粒也不会产生滑动。这种外力不需要强力打击，也不需要高的振动频率。而只需要揉动(或推动)。用力的频率约1.5秒钟一次。当含水量高的情况下，即使有外力的作用，颗粒的排列不会进一步变紧。就是说，颗粒间的紧排列不能在一次按动中完成。当土表有水层生成时，应吸去水，再通过外力作用而变紧。实验证明，颗粒容易发生紧排列的含水量应略小于饱和含水量。这可能与在水份过多条件下，颗粒表面同性电荷的斥力发生作用，不易使颗粒排紧有关。已制成的石英砂吸力平板应在水柱平衡装置上考验，应在15kpa吸力下不漏过空气。在平板面上有3厘米水层条件下每分钟通过平板的水量应在5毫升以上。

根据颗粒相嵌理论计算表明，要获得能测试90Kpa以上的高岭土吸力平板，其平板组成的颗粒直径应在10微米左右。但若全采用10微米左右的高岭土颗粒作平板制作材料，其材料处理费时费力费钱。通过多次实验摸索，采用高岭土材料预处理方法，通过适当的粗细颗粒相嵌技术，满足①整个高岭土平板孔隙直径小于3.3微米；②平板有适宜透水速度(每小时透水量不低于3毫升)两个条件。向石英砂吸力平板内倒放处理后的高岭土浆(处理后的高岭土与水混合体，经淀清几日后，倒去表层清水)。高岭土的倒入量应这样来计算：

设制成的高岭土平板容重为1.45克(厘米)^-3。倒入高岭土(以干粉计算)的重量(克数)应为：

高岭土板容重(1.45gcm^-3)×高岭土板厚度(1cm)×容器面积(cm²)

将倒入高岭土浆后的吸力平板联接在真空泵系统中，并对吸力平板施加60kpa吸力。在高吸力作用下，高岭土浆中水分通过石英砂平板不断被吸走。随着水份的析出，高岭土浆逐渐变干，并出现肉眼可见的裂缝。此时，应将裂缝、裂隙抹平。使高岭土浆的脱水继续进行。若不将这些裂隙抹平，由于系统通过这些裂隙发生漏气，脱水不能继续进行。当然，经抹去裂隙后的高岭土浆表面，由于脱水的继续进行又会发生新的裂隙，应多次抹平这些裂隙。当脱水进行到高岭土已进入塑性阶段时，用直径约8厘米的大橡皮塞拍打高岭土平板表面。拍打时用力不能太大，橡皮塞(或具有平面的木块)提起约5厘米往下逐步移动拍打。在拍打过程中，用力要均匀，不可用力过猛，否则，制作的平板不易均匀，日后易发生漏气。经拍打后，平板表面不会十分平整，可用平直的锯条背刮平平板，将凸出部位高岭土刮下补在凹处，使平板平整。拍打后的平板将施加90kpa以上吸力。在继续脱水过程中，会出现细微裂隙(肉眼已看不到)而发生系统漏气。经2-3次均匀拍打—刮平—高吸力考验的循环操作后，平板将耐住90kpa吸力不漏气。高岭土浆脱水过程中，当未达到塑性阶段(含水量＞27％)，击打平板表面，不但不能压实高岭土平板，且易发生平板不均匀性。

上述二吸力平板制作中，选料及材料前处理均十分关键。制作吸力平板的材料应是胀缩性小的矿物。除基础材料石英砂外，高岭土选用乳白色、含铁量低于0.65％的高品位矿。在1∶5土水比条件下，在CX-250超声波清洗器(北京医疗设备二厂产)里超声波处理20分钟，使部分高岭土细粉进一步分散成悬浊液。此项处理是关键。若用化学分散剂(如NaOH)，一方面可能分散过分，使吸力平板透水性很差。另一方面化学处理的高岭土将影响放置平板容器的寿命。超声处理时间以20分钟左右为宜。处理时间过短，被分散的细粒不够，平板难以耐住90kpa吸力，容易发生漏气。处理时间过长，将影响吸力平板透水性，使日后测试时水份平衡时间冗长。

本发明可用于测定0-90kpa范围内土壤水分特征曲线，可测得＞3.3微米当量直径的各经土壤孔隙的相对含量。获得不同吸力下土壤可释放水量及土壤孔隙的分布曲线。同时，它还可测出土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度，不同含水条件下的土壤三相比等一系列土壤物理参数。也可用于控制试验样品相同水分条件的某些土壤试验。例如，在研究土壤中离子扩散、污染物迁移、转化等问题中，常会遇到这类问题。还可用来研究大型原状土块的物理特性，进行土壤水动力学模型研究。

Claims

1.大量程土壤水吸力测量技术，用常规的吸力平板仪进行测量，该吸力平板仪包括吸力平板及与其配套的其他公知测量部件，其特征是将测量量程分解为由低至高至少两段，每段测量范围分别选用孔隙度不同的吸力平板。

2.根据权利要求1所述的大量程土壤水吸力测量技术，其特征是将测量量程分为两段，低段使用石英砂吸力平板，用公知的水柱平衡法及其相应的测量部件完成0-10kpa范围测量，高段使用高岭土吸力平板，用公知的减压法及其相应的测量部件完成10-90kpa范围测量。

3.根据权利要求2所述的大量程土壤水吸力测量技术，其特征是所说石英砂吸力平板的结构为在一容器内，自容器底面起向上依次设置紧实的粗石英砂层和细石英砂层，二层间设有隔离布，容器底面上设有通负压的孔；所说高岭土吸力平板的结构为上述细石英砂层之上再设置一层高岭土层。

4.根据权利要求3所述的大量程土壤水吸力测量技术，其特征是石英砂吸力平板中粗石英砂粒径为1-2mm，细石英砂粒径为20-100um，粗石英砂层厚为2-3cm，细石英砂层厚7-9cm，二层之间为化纤布隔离，高岭土粒径10um左右，层厚10mm左右。

5.根据上述权利要求所述的吸力平板制作工艺，其特征是首先制作石英砂吸力平板，步骤如下：取铝锅或不锈钢锅作为容器，底上打孔，并接上导气(水)螺栓，先在容器底部放置2-3cm厚的粒径为1-2mm的粗石英砂，注水，摇动容器，使石英砂尽量紧实，然后在其上复盖一层不易腐烂的布料，在布料之上放置5cm左右厚、粒径为20-100um的细石英粉，加水至石英粉表面，推平石英粉，用橡皮管使真空泵系统与容器底部导气螺栓相连，一边搅动细砂，一边缓缓在容器底部抽吸水份，当水面降至砂面时，关闭真空泵阀门，按动石英粉表面，使石英颗粒发生位移趋向致密排列，揉动3-5分钟后，再缓缓打开真空泵阀门，再次吸收石英砂表面水份，当水层刚从砂面上消失，立即关闭真空泵阀门，再在砂面上用力按动，使石英颗粒的排列进一步趋紧，表面上又一次出现浅水层，然后再次吸水，再按动砂面……，如此反复4-5次，直至砂面上再也按不出水层为止，再次倒入细石英粉5cm左右，重复以上操作，使吸力平板的致密细石英粉总厚达8cm左右。

6.根据权利要求5所述的吸力平板制作工艺，其特征是20-100um的细石英粉中，20-60um颗粒至少应占90％，其余为60-100um颗粒，在容器底部的吸水速率为每分钟10-200毫升，按动石英粉表面使石英颗粒位移的揉动用力频率为1.5秒一次。

7.根据权利要求5或6所述的吸力平板制作工艺，其特征是在制成石英砂吸力平板的基础上，再制作高岭土吸力平板，步骤如下：将高岭土矿粉碎、磨细过0.5mm筛，然后按土水比1∶5混合后，在超声波清洗器内处理15-25分钟，使高岭土细粉进一步分散成悬浊液；将此浆体淀清后，倒去表层清水后倒入石英砂平板内，将此时的吸力平板联接在真空泵系统中，对其施加60kpa吸力，随着水份的析出，高岭土浆逐渐变干，并出现裂缝，应将裂缝、裂隙抹平后继续进行施压脱水，当高岭土进入塑性阶段时，对高岭土表面施力拍打，并保持高岭土表面表整，然后对平板施加90kpa以上吸力，继续脱水，再进行拍打、抹平……直至脱水过程中高岭土表面肉眼不见缝隙。

8.根据权利要求7所述的吸力平板制作工艺，其特征是在石英平板与容器壁的接触部位用刀片挖出宽1cm，深1.5cm的石英粉，将高岭土充填其中，以增加容器壁附近高岭土厚度，高岭土浆脱水过程中，进入塑性阶段时(含水量＜27％)，方可击打平板表面。