CC BY
52
МЕХАНИЗАЦИЯ
УДК 631.3
Получение функциональной зависимости липкости почв от основных гидрофизических почвенных параметров
Виктор Васильевич Алексеев, кандидат техн. наук, доцент, Иван Иванович Максимов*, доктор техн. наук, профессор, Сергей Анатольевич Васильев*, кандидат техн. наук, доцент Чебоксарский кооперативный институт (филиал),
АНО ВПО UP РФ «Российский университет кооперации», г. Чебоксары, Россия, *ФГБОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»», г. Чебоксары, Чувашская Республика, Россия,
E-mail: AV77@list.ru
В работе приведены результаты исследований по теоретическому обоснованию и экспериментальному изучению зависимости липкости почв от влажности, удельной поверхности, пористости и температуры почвенной влаги. Зависимость получена путем энергетического рассмотрения почвенной влаги как среды ограниченной, с одной стороны, твердой фазой, а, с другой, газообразной. Использование идеализированных моделей почвы совместно с аэродинамическим методом определения удельной поверхности позволило провести количественную оценку поверхностных энергий взаимодействия с воздухом и твердой фазой почвы. Изучение полученной зависимости дает возможность определять характерные почвам значения влажности, соответствующие: 1) максимальной липкости, 2) физической спелости. Приведены примеры расчета зависимостей липкости для темно-серой лесной почвы и характерных значений влажности для ряда глинистых почв. Высокая степень согласованности полученной зависимости и характерных значений влажности с экспериментальными данными позволяет широко использовать ее на практике.
Ключевые слова: липкость, влажность, пористость, удельная поверхность, основная гидрофизическая характеристика.
Способность почвы прилипать к поверхности различных предметов - липкость - обусловлена взаимодействием предметов с твердой фазой почвы посредством почвенной влаги. Поскольку с липкостью связана физическая спелость почвы, то есть такое значение влажности, при котором почва хорошо крошится, не прилипая к орудиям обработки, она является одним из важнейших факторов, определяющих условия функционирования почвообрабатывающих машин и орудий.
Цель исследований - получение теоретической зависимости липкости почвы от влажности, удельной поверхности, пористости и температуры, позволяющей определить состояние почвы, при котором эффективность механического воздействия почвообрабатывающих машин и их рабочих органов на почву максимальна.
Материал и методы. В связи с поставленной целью для получения теоретической зависимости нами предлагается ис-
пользовать объективный энергетический метод к рассмотрению почвенной влаги, основанный на использовании законов термодинамики, отражающих ее энергетическое состояние. Влага в почве ограничена, с одной стороны, твердой фазой, а, с другой, газообразной, то есть в отличие от свободной влаги имеется поверхностная энергия взаимодействия с воздухом Е" и поверхностная энергия взаимодействия с твердой фазой почвы Е [1].
Такое рассмотрение почвенной влаги совместно с использованием идеализированных моделей почвы (рис. 1) позволяет достаточно точно определять потенциал почвенной влаги и получать основную гидрофизическую характеристику (ОГХ) почв [2, 3]. При протекании газа через образец часть кинетической энергии потока расходуется на преодоление сил трения пропорционально поверхности конденсированной фазы. Поэтому становится возможным вычисление величины этой поверхности.
Для реализации метода на практике проводятся эксперименты, в результате которых определяются пористость методом расширения почвенного воздуха, влажность термостатно-весовым методом, время протекания заданного объема воздуха через образец почвы при заданном перепаде давления аэродинамическим методом. После измерений производится подбор наиболее подходящей идеализированной модели и задание
зависимости функции В П0), неявно учитывающей гранулометрический состав почв. На рисунке 2 представлены аэродинамический пермиметр и устройство для определения пористости.
Количественной характеристикой липкости является усилие (часто выраженное в Н/см2 или г/см2), требующееся для отрыва прилипшего предмета от почвы при различных ее влажностях.
Рис. 2. Аэродинамический пермиметр (слева) и устройство для определения пористости (справа)
Как показывают многочисленные эксперименты, липкость повышается по мере увлажнения почвы, а затем начинает уменьшаться (рис. 3). Липкость почвы наиболее полно характеризуют три показателя: влаж-
ность начального прилипания влажность максимального прилипания ^тах и максимальное значение липкости £тах.
Как видно из рисунка, липкость не проявляется ниже - значения влажности,
отражающей равновесие давлении в «пленочном» и «манжетном» состояниях. Эта же влажность, кроме начального проявления липкости, соответствует разрыву капилляров, нижнему пределу пластичности, оптимальному агрегированию частиц и микроагрегатов, т.е. влажности оптимальной для механической обработки почвы. При значениях влажности выше ^тах обработка почвы практически не проводится, поскольку в этой области на влагу преимущественное действие оказывают гравитационные силы.
L
L
max
w
0
w
max
w
Рис. 3. Зависимость липкости почвы от влажности
Рассмотрим почвенную влагу характерных для Чувашской Республики слабо-набухающих, незасоленных почв. Напомним, что влага в почве в отличие от свободной влаги имеет поверхностную энергию взаимодействия с воздухом Е" и поверхностную энергию взаимодействия с твердой фазой почвы Е'. Через потенциал влаги, который соответственно имеет составляющие у" и у', можно рассчитать эквивалентные давления р" и р' [2]. Поскольку в области с w>Wo появляется липкость, рассмотрим разность давлений, обуславливающую эту липкость:
Ap = p"- p' = Q0o ■ D(w, П0)-
AQl
w
(1)
где О0 - объемная удельная поверхность, (м2/м3); а - удельная свободная поверхностная энергия на границе раздела вода -воздух, Дж/м2;
D( w, П о) =
f w^ ^ 1--
V П0 J
1 --
w
5
V
V
П о + 2 ,
1 -П„
1 -П„ + w
- функция, неявно учитывающая гранулометрический состав почв; w - объемная влажность, (м /м ); П0 - пористость сухого образца; A - деленная на 6л постоянная Гамакера, зависящая от типа почв, Дж.
В формуле (1) оба слагаемых содержат объемную удельную поверхность Q0, что вполне согласуется с известным явлением возрастания липкости с увеличением дисперсности почвы, поэтому глинистые почвы более липкие, чем песчаные.
Зависимость а от температуры известна, поэтому, подставляя а(Т) в формулу (1), учитываем влияние температуры. Различный для моделей А, Б и В вид функции D(w, П0) используется для описания разных почв с отличающимися числом, ориентацией и структурой пор.
Для получения зависимости липкости от влажности перейдем от величин давления к более распространенному отношению г/см2, а вместо значений влажности исполь-
2/3
зуем w , поскольку ей пропорциональна площадь почвенной влаги, соприкасающаяся с телом.
Для экспериментального определения липкости обычно используют прибор В.В. Охотина или Н.А. Качинского, представляющий собой видоизмененные техно-химические весы. Следует учесть, что при проведении эксперимента производят полное соприкосновение диска с почвой. Сверху на диск кладут груз (выбор нагрузки определяется задачей исследования) и выдерживают его в течение 30 с. Диск прилипает к почве. Такая постановка эксперимента приводит к тому, что слой почвы непосредственно под диском уплотняется, величина объемной влажности в этом слое увеличивается, а потенциал влаги и соответственно эквивалентное давление уменьшаются (рис. 4). Этот факт приводит к тому, что вместо более высокого значения влажности почвы в точках контакта учитывается среднее по образцу почвы значение влажности.
Фазы
Жидкая
Газообразная
w,
1 -1
¡ёРи 1ёР
wl w2
w
Рис. 4. Изменение соотношения фаз и потенциала при уплотнении почвы
Результаты и их обсуждение. Теоретическая кривая зависимости липкости от влажности для распространенной в Чувашской Республике темно-серой лесной почвы (удельная поверхность 57,9 м /г, пористость 0,47) и результаты обработки экспериментальных данных приведены на рисунке 5.
Статистическая обработка показывает, что полученной зависимостью описывается около 80,4% экспериментальных данных. Полученные значения = 0,32 и ^тах = 0,38 достаточно хорошо согласуются со значениями перехода почв от одного энергетического состояния в другое, описываемыми различными реологическими моделями.
Поскольку наибольшей липкостью обладают глинистые почвы, рассмотрим зна-
чения влажности начального прилипания для четырех инженерно-геологических элементов (ИГЭ), выделенных по строению почв в результате исследований, проведенных в Цивильском районе Чувашской Республики. Соответственно строению почв составлена таблица, в которой приводятся значения, рассчитанные по классическому методу отрыва диска и по предложенной нами методике для моделей А, Б, В.
Как видно из таблицы, наименьшее расхождение с экспериментальными данными имеет идеализированная модель Б, которая, как уже было показано [2, 3], больше подходит для бесструктурных или слабоструктурных почв.
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
0,25
0,30
0,45
0,35 0,40
объемная влажность (м3/м3)
Рис. 5. Теоретическая зависимость Ь(м>) и экспериментальные данные
I
о
о
Таблица
Влажности начального прилипания (м3/м3)
Почвогрунт Вид идеализации (по рис. 1) Эксперимент
А Б В
ИГЭ1 - глина мягко- и текучепластичная (adIV) 32,1 34,3 31,1 34-37
ИГЭ2 - суглинок тугопластичный (edII-IV) 30,1 39,7 29,4 32-38
ИГЭ3 - суглинок мягкопластичный (edII-IV) 25,8 30,9 24,7 28-39
ИГЭ4 - глина полутвердая (P2t) 36,4 38,7 34,6 39-45
Выводы. Полученные формулы позволяют рассчитывать зависимости липкости для почв в их естественном состоянии без дополнительного уплотнения, присущего классическим методам. После определения основных почвенных параметров, таких как удельная поверхность и пористость, зависимости получают количественное выражение. С их помощью возможно нахождение уровня увлажнения, соответствующего физической спелости почв, при котором уменьшается прилипание почвенных частиц к сельскохозяйственным орудиям, и увеличивается способность частиц к самоагрегированию.
Список литературы
1. Алексеев В.В., Максимов И.И. Аэродинамический метод получения основной гидрофизической характеристики почв // Почвоведение. 2013.№ 7.С. 822-828.
2. Сысуев В.А., Максимов И.И., Алексеев В.В., Максимов В.И. Получение основной гидрофизической характеристики почв на основе идеализированных моделей // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. 2013. № 5. С 66-63.
3. Алексеев В.В. Уточненная оценка уплотненного состояния почв // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. 2013. № 5. С. 49-51.
Getting the functional dependence of the stickiness on the main soil hydro-physical parameters
Alexeyev V., Maximov I., Vasiliev S.
The results of investigations on the theoretical justification and experimental study of the dependence of the soil stickiness on the soil moisture, specific surface, porosity, and temperature of soil solution are presented in the article. Dependence is obtained by energetic consideration of soil moisture as a medium bounded on one side by the solid phase, and the other - by the gaseous. Using of idealized models of the soil together with the aerodynamic method for determining of specific surface area allows to conduct quantitative assessment of the surface energies of interaction with the air and the soil solid phase. Study of the obtained dependence allows to determine the characteristic values of soil moisture relevant to: 1) the maximum stickiness, 2) physical maturity of soils. Examples of calculation dependencies of stickiness for dark gray forest soil and the characteristic values of humidity for a number of clay soils are given. Good degree of consistency of obtained dependence and moisture values with experimental data allows extensive use of it in practice.
Key words: stickiness, humidity, porosity, specific surface area, main hydro-physical characteristic
