北京普天同创生物科技有限公司
(2006-07-10发布,2006-10-01实施)
1 应用范围
本部分适用于各类土壤机械组成的测定。
2 测定原理
试样经处理制成悬浮液,根据斯托克斯定律,用特制的甲种土壤比重计于不同时间测定悬液密度的变化,并根据沉降时间、沉降深度及比重计读数计算出土粒粒径大小及其含量百分数。
3 主要仪器设备
3.1 土壤比重计。刻度范围为0~60g/L。
3.2 沉降筒(1L)。
3.3 洗筛。直径6cm,孔径0.2mm。
3.4 带橡皮垫(有孔)的搅拌棒。
3.5 恒温干燥箱。
3.6 电热板。
3.7 秒表。
4 试剂
4.1 0.5mol/L六偏磷酸钠溶液
称取51.OOg六偏磷酸钠(化学纯),加水400mL,加热溶解,冷却后用水稀释至1L,其浓度=0.5mol/L。
4.2 0.5mol/L草酸钠溶液
称取33.50g草酸钠(化学纯),加水700mL,加热溶解,冷却后用水稀释至1L,其浓度=0.5mol/L。
4.3 0.5mol/L氢氧化钠溶液
称取20.00g氢氧化钠(化学纯),加水溶解并稀释至1L。
5 分析步骤
5.1 称样:称取2mm孔径筛的风干试样50.00g于500mL三角瓶中,加水润湿。
5.2 悬液的制备:根据土壤pH加入不同的分散剂(石灰性土壤加60mL 0.5mol/L偏磷酸钠溶液;中性土壤加20mL 0.5mol/L草酸钠溶液;酸性土壤加40mL 0.5mol/L氢氧化钠溶液),再加水于三角瓶中,使土液体积约为250mL,瓶口放一小漏斗,摇匀后静置2h,然后放在电热板上加热,微沸1h,在煮沸过程中要经常摇动三角瓶,以防土粒沉积于瓶底结成硬块。
将孔径为0.2mm的洗筛放在漏斗中,再将漏斗放在沉降筒上,待悬液冷却后,通过洗筛将悬液全部进入沉降筒,直至筛下流出的水清澈为止,但洗水量不能超过1L,然后加水至1L刻度。
留在洗筛上的砂粒用水洗入已知质量的铝盒内,在电热板上蒸干后移入烘箱,于105℃±2℃烘6h,冷却后称量(精确至0.01g),并计算砂粒含量百分数。
5.3 测量悬液温度:将温度计插入有水的沉降筒中,并将其与装待测悬液的沉降筒放在一起,记录水温,即代表悬液的温度。
5.4 测定悬液密度:将盛有悬液的沉降筒放在温度变化小的平台上,用搅拌棒上下搅动1min(上下各30次,搅拌棒的多孔片不要提出液面)。搅拌时,悬液若产生气泡影响比重计刻度观测时,可加数滴95%乙醇除去气泡,搅拌完毕后立即开始计时,于读数前10~15s轻轻将比重计垂直地放入悬液,并用手略微挟住比重计的玻璃杆,使之不上下左右晃动,测定开始沉降后30s, 1min, 2min时的比重计读数(每次皆以弯月面上缘为准)并记录,取出比重计,放入清水中洗净备用。
按规定的沉降时间,继续测定4min, 8min, 15min, 30min及1h, 2h, 4h, 8h, 24h等时间的比重计读数。每次读数前15s将比重计放入悬液,读数后立即取出比重计,放入清水中洗净备用。
6 结果计算
6.1 烘干土质量的计算:
6.2 粗砂粒含量(2.0mm≥D>0.2mm)的计算:
6.3 0.2mm粒径以下,小于某粒径颗粒的累积含量的计算:
6.5 土粒直径的计算。0.2mm粒径以下,小于某粒径颗粒的有效直径(D),可按斯托克斯公式计算:
式中D—土粒直径,mm;
dl—土粒密度,g/cm3;
d2—水的密度,g/cm3;
L—土粒有效沉降深度,cm(可由图1查得);
T—土粒沉降时间,s;
η—水的黏滞系数,g/(m·s),见表1;
981—重力加速度,单位为厘米每二次方秒,cm/s2。
表1水的黏滞系数(η)
式中的L值可由比重计读数与土粒有效沉降深度关系图(图1)查得。
6.6 颗粒大小分配曲线的绘制:根据筛分和比重计读数计算出的各粒径数值以及相应土粒累积百分数,以土粒累积百分数为纵坐标,土粒粒径数值为横坐标,在半对数纸上绘出颗粒大小分配曲线(图2)。
6.7 计算各粒级百分数,确定土壤质地。从颗粒大小分配曲线图上查出<2.0mm,<0.2mm,<0.02mm及<0.002mm各粒径累积百分数,上下两级相减即得到2.0mm≥D>0.02mm,0.02mm≥D>0.002mm, D<0.002mm各粒级的百分含量。
图1比重计读数与土粒有效沉降深度关系图
图2颗粒大小分配曲线
示例:若从颗粒大小分配曲线上查得<2.0mm,<0.2mm,<0.02mm,<0.002mm各粒径的累计百分数分别为100,93,42和20,则
黏粒(D<0.002mm)含量,%=20
粉(砂)粒(0.02mm)D>0.002mm)含量,%=42-20=22
细砂粒(0.2mm)D>0.02mm)含量,%=93-42=51
粗砂粒(2.0mm-0.2mm)含量,%=100-93=7
0.2mm≥D>0.02mm与2.0mm≥D>0.2mm即细砂粒与粗砂粒含量之和为砂粒级
(2.0mm≥D>0.02mm)的含量,本例中砂粒级含量为58%
7 精密度
平行测定结果允许绝对相差黏粒级≤3%;粉(砂)粒级≤4%。
8 注意事项
8.1 土粒有效沉降深度(L)的校正。
比重计读数不仅表示悬液密度,而且还表示土粒的沉降深度,亦即用由悬液表面至比重计浮泡体积中心距离(L')来表示土粒的沉降深度。但在实验测定中,当比重计浸入悬液后,使液面升高,由读数(即悬液表面和比重计相切处)至浮泡体积中心距离(L')并非土粒沉降的实际深度(即土粒有效沉降深度L)。而且,不同比重计的同样读数所代表的(L')值因比重计形式及读数而不同。因此,在使用比重计前就必须先进行土粒有效沉降深度校正(图3),求出比重计读数与土粒有效沉降深度的关系。校正步骤如下。
8.1.1 测定比重计浮泡体积:取500mL量筒,倒入约300mL水,置于恒温室或恒温水槽内,使水温保持20℃,测记量筒水面处的体积刻度(以弯月面下缘为准)。将比重计放入量筒中,使水面恰达比重计最低刻度处(以弯月面下缘为准),再测记水面处的量筒体积刻度(以弯月面下缘为准)。两者体积差即为比重计浮泡的体积(Vb),连续两次,取其算术平均值作为Vb值(mL)。
8.1.2 测定比重计浮泡体积中心:在上述20℃恒温条件下,调节量筒内水面至某一刻度处,将比重计放入水中,当液面升起的容积达1/2比重计浮泡体积时,此时水面与浮泡相切(以弯月面下缘为准)处即为浮泡体积中心线(图3)。将比重计固定于三角架上,用直尺准确量出水面至比重计最低刻度处的垂直距离(L2/2),亦即浮泡体积中心线至最低刻度处的垂直距离。
8.1.3 测量量筒内径(R)(精确至1 mm),并计算量筒横截面积(S):S=1/4πR2,π=3.14。
8.1.4 用直尺准确量出自比重计最低刻度至玻杆上各刻度的距离(L1),每距5格量一次并记录。
8.1.5 计算土粒有效沉降深度(L)
图3 土粒有效沉降深度L校正图
式中L'—土粒有效沉降深度,CM;
L'—液面至比重计浮泡体积中心的距离,CM;
L1—自最低刻度至玻璃杆上各刻度的距离,Cm;
L2/2—比重计浮泡体积中心至最低刻度的距离,CM;
Vb—比重计浮泡体积,cm3;
S—量筒横截面积,cm2。
8.1.6 绘制比重计读数与土粒有效沉降深度(L)的关系曲线。用所量出的不同L1值,代入式(5),计算出各相应的L值,绘制比重计读数与土粒有效沉降深度(L)的关系曲线(图1)。或将比重计读数直接列于斯托克斯公式列线图中有效沉降深度毛列线的右侧。这样,就不仅可直接从曲线上把比重计读数换算出土粒有效沉降深度(L)值,而且可应用比重计读数等数值在斯托克斯公式列线图上查出相应的土粒直径(D)。
8.2 比重计刻度及弯月面校正。
比重计在应用前必须校验,此为刻度校正。另外,比重计的读数原以弯月面下缘为准,但在实际操作中,由于悬液浑浊不清而只能用弯月面上缘读数,所以,弯月面校正实为必要。在校正时,刻度校正和弯月面校正可合并进行。校正步骤如下:
第一步,配制不同浓度的标准溶液:根据甲种比重计刻度及弯月面校正计算例表(表2)第三直行所列数值,准确称取经105℃干燥过的氯化钠,配制氯化钠标准系列溶液(表2中第二直行),定容于1000mL容量瓶中,分别倒入沉降筒。配制时液温保持在20℃,可在恒温室外或恒温水槽中进行。
第二步,测定比重计实际读数:将盛有不同氯化钠标准溶液的各个沉降筒放于恒温室或恒温水槽中,使液温保持20℃,用搅拌棒搅拌筒内溶液,使其分布均匀。
将需要校正的比重计依次放入盛有各标准溶液(从浓度小到大)的沉降筒中,在20℃下进行比重计实际读数(以弯月面上缘为准)的测定,连测两次,取平均值(表2中第五直行)。比重计的理论读数(即准确读数,见表2中第一直行)和实际平均读数(表2中第五直行)之差,即为刻度及弯月面校正值(表2中第六直行)。在实际应用中要注意校正值的正负符号,以免弄错。
表2甲种比重计刻度及弯月面校正计算例表
第三步,绘制比重计刻度及弯月面校正曲线:根据比重计的实际平均读数和校正值,以比重计的实际平均读数为横坐标,校正值为纵坐标,在方格坐标纸上绘制成刻度及弯月面校正曲线(图4)。依据此曲线,可对用比重计进行颗粒分析时所测得的各读数进行实际的校正。
图4比重计刻度及弯月面校正曲线
8.3 温度校正。
土壤比重计都是在20℃校正的。测定温度改变,会影响比重计的浮泡体积及水的密度,一般根据表3进行校正。
8.4 土粒比重校正。
比重计的刻度是以土粒相对密度为2.65作标准的。土粒相对密度改变时,可将比重计读数乘以表4所列校正值进行校正,如土粒比重差异不大,可忽略不计。
8.5 若不考虑比重计的刻度校正,在比重计法中作空白测定(即在沉降筒中加入与样品所加相同量的分散剂,用蒸馏水加至 1L,与待测样品同条件测定),计算时减去空白值,便可免去弯月面校正、温度校正和分散剂校正等步骤。
8.6 土壤颗粒分析的许多繁琐计算及绘图可由微机处理。
8.7 加入分散剂进行样品分散时,除使用煮沸法分散外,也可采用振荡法、研磨法处理。
表3甲种比重计温度校正表
表4甲种比重计土粒相对密度校正值
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