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土壤的粒度分布

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实验结果/结论
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土壤的粒度分布

关键词:土壤、粒度分布、沉积物、砂子、粘土

通过对土壤和海洋沉积物的粒度分析,可以对土壤的类型及来源地等进行区分。而土壤的诸多特征取决于土壤的类型,如对水分和养分的渗透能力,以及对侵蚀的敏感性等。PSA利用激光衍射技术,可对土壤进行快速和可重复的测量,范围覆盖从亚微米级粘土到毫米级砂砾 。


 

 

1,介绍

土壤由砂、淤泥和粘土组成,这些成分的比例决定了土壤的类型。土壤中的有机成分由植物和动物的不同阶段分解产物组成,这些有机成分将矿物土壤颗粒粘结成团聚体。粒径分布是土壤和沉积物最基本的特性之一。它决定了诸如密度、孔隙度、保水率、营养成分含量和渗透率等许多特征。图1所示的土壤三角图显示了土壤质地对其不同成分比例(1)的依赖,图中将不同成分比例的土壤划分为不同的类型。不同的国家或地区的土壤类型由不同组分的含量所决定。

图1:图为美国农业部对土壤类型的划分方法 (2)土壤类型由三种主要成分(粘土、淤泥和沙子)的交点位置所处区域所决定。星号处土壤类型为粘土。

土壤类型的划分非常重要,从化肥的施用到在建筑工程中的应用等均有重要指导作用。

土壤的渗透率取决于其颗粒分布情况,从而影响其对肥料和水的需求量(1)。如果土壤颗粒较大,则可以确保更好的渗透率。相反,小颗粒提供更高的保水率。如表1所示,粘土、淤泥和沙子是由它们的颗粒大小来定义的。在ISO 14688-1:2002所规定的国际分类中,单位为毫米。

同样基于粒度的分类也可以用于海洋沉积物。海洋沉积物的研究对科学家学习生态系统和海洋的历史(3)十分重要。深海沉积物的成分可能具有相邻的大洲及其间运输方式等重要信息 (4)。海洋沉积物的主要来源之一是侵蚀的岩石,岩石经过物理风化过程产生颗粒及碎片。这些碎片经过风、冰川和河流的运输,直到沉积在海洋的不同深度。它们在沉积在海洋中的时间越长,就越容易被磨圆、变小。此类沉积物被归类为岩石性的沉积物(5),进而根据其密度、大小和形状进行分类(3)。

粒度测定不仅有助于确定风化过程发生的位置,如在水面以上或在海洋深处,而且有助于确定这些颗粒在海洋大陆架中的位置(5)。

传统中测定土壤和海洋沉积物粒度分布的方法是筛分和沉积分析。然而,与这些相比,激光衍射有很多优点。如激光衍射测量速度快,测量范围更大,同时大大提高对小颗粒尺寸(< 2μm)检测的准确性。此外,激光衍射法还可以进行系列测量,且其测量结果具有可重复性。

 

2,测试参数设置

测试实验为PSA 1190 L/D的湿法模式。

表2为测试所需输入的参数。

 

为了直接根据主要组分含量的大小对样品进行分类,软件对土壤的大小等级进行了计算(见表1)。

 

3,样品制备

3.1土壤

样品为某建筑企业提供的两种土壤样品。采样深度分别为3米(样本3米)和5米(样本5米)。此外,还对耕层(最上层20厘米)的样品进行了测试。为了研究粘土和淤泥颗粒的最佳分散条件,实验中应用了三种样品制备方法。

对原始样品和预分散样品的测量数据进行了比较。

3.1.1方法1:样品预处理

对样品进行预处理,确保去除其中的有机物和碳酸盐。预处理后,粘土和淤泥颗粒之间的粘连被破坏,从而减少颗粒之间的团聚。

首先将湿样品分散在3%的H2O2溶液中去除有机物。将溶液静置过夜后,在80°C的水浴中除去H2O2。悬浮液静置1小时,沉淀物用1M盐酸溶液去除碳酸盐。

将混合物放入水浴中15分钟,然后静置一夜。此时,絮凝性土壤颗粒与周围的上清液分离,用移液管移去上清液,直到出现高度浓缩的颗粒悬浮液。用六偏磷酸钠(4%,SHMP)和碳酸钠(1%,Na2CO3)的混合溶液处理剩余的土壤部分。搅拌过夜,即可对悬浮液进行测量。

 

3.1.2方法2:样品预分散

在第二种样品制备方法中,不进行预处理。将湿样品在放置在0.1% SHMP溶液中预分散过夜。一般情况下,SHMP溶液浓度可达4%即可。

3.1.3方法3:无样品预处理,无样品预分散

在第三种样品制备方法中,样品在50°C的烘箱中干燥,粉碎。然后将样品分散在充0.1% SHMP溶液的分散池中。

3.2海洋沉积物

测试样品为海洋中的泥浆沉积物。测量时,使用0.1%的SHMP溶液作为分散介质(方法3)。输入表2中的参数,先进行测量背景,后进行加样测试。

 

4结果与讨论

4.1土壤

4.1.1样品深度3 m

图2为3 m样品经三种不同制备方法分散后的光强分布和累积分布叠加图。图中可以看出,方法3制备的样品,没有进行预处理和预分散,粒径分布向更大尺寸范围偏移。这意味着颗粒仍然处于聚集状态。其中,颗粒范围< 2μm占2.8%,范围2 - 50μm占73.6%(见表3)。方法1和2制备的样品,其粒径在粘土和淤泥颗粒区域分布更多。

样品3 m由于有机组分(动植物碎屑)的存在,大颗粒的团聚体含量较高。样品经预处理后,大大改善了其分散状态,因此,小颗粒含量也更高。

结合土壤类型三角图和方法1测量结果(见图1),将样品划分为淤泥土类型。

图2  三种分散方法处理后样品(3m)的光强和累积分布结果

4.1.2   5 m深度采样

三种样品制备方法同样用于样品5 m的分散。图3为测试的光强分布和累积分布峰形,累积分布详细结果见表4。5 m深处的粘土和淤泥中含较少的有机物质,使用添加剂如H3O3、HCl和SHMP对分散没有太大影响。测试的结果如图所示。

图3: 三种分散方法处理后样品(5m)的光强和累积分布结果

 

粘土(0.04 - 2μm)和淤泥(2 - 50μm)约为4%和90%,通过查找土壤三角形,样本被定义为淤泥土壤类型。

4.1.3耕层取样

未预分散的耕层土样(方法3)和0.1% SHMP预分散后(方法2)的光强和累积分布如图4所示。

图4:耕层样品光强和累积分布结果

从图4可以看出,样品预处理使测量的粒径分布向更小的粒径范围偏移。事实上,与样品3 m和样品5 m相比,耕层土壤中粘土的含量更高(见表5)。其含量为6.3%,淤泥的有效含量约为92%。

这种成分比例,使密实的耕层土壤具有很低的过滤能力,因此在降雨或灌溉之后,通常会出现饱和和积水问题(6)。

4.2海洋沉积物

海洋沉积物粒径分布结果显示其为多分散样品,粒度分布的跨度为5.7(图5)。为了缩小对其粒径测试的范围,软件对小于63μm的颗粒进行统计,测量结果显示90%的颗粒小于此粒径。粘土和淤泥的含量较高表明,沉积物样品是强风化作用的结果,风化的岩石经风和水的传播,沉积而成(5)。

这种海洋沉积物通常沉积在海洋盆地的最深处,远离海岸,受波浪和湍流的影响减小。

图5海洋沉积物的激光衍射光强与累积分布结果

 

5  激光衍射法与筛分法和沉降法的对比

为了研究激光衍射法与其他更传统的方法如筛分和沉降法(包括移液管法和比重计法)在土壤测量方面的主要差异,对其结果进行了对比分析。

5.1筛分

图6为另一个海洋沉积物样品的激光衍射光强和累积粒径分布结果。

表6列出了颗粒在0 - 63μm范围内的筛分和激光衍射测量结果。

图6海洋沉积物的激光衍射光强与累积分布结果

表6: 筛选法和激光衍射法测量海洋沉积物中土壤粒径分布结果的对比。

与激光衍射测量相比,筛分检测到的细颗粒比例更小。因为在筛分分析中,颗粒在粘结力的作用下迅速团聚增大,使颗粒不容易通过筛眼而堵塞在其上 (7)。相比之下,激光粒度仪测试中由于搅拌和超声的存在,能对颗粒进行更好的分散,减少团聚。

5.2沉降

沉降技术将颗粒直径定义为与未知尺寸颗粒在液体中具有相同沉降速度的理想球形颗粒的直径相等。(8)

另一个耕层土壤样品的粒径分布如图7所示,表7是沉降和激光衍射法结果的对比。

图7激光衍射测得的耕层土样光强和累积分布结果

表7: 沉降法和激光衍射法测量耕层土壤粒径分布结果的对比

 

QQ截图20210209150922.png

由表7可见,沉降法中小于2μm的颗粒含量明显高于激光衍射法。因为粘土等颗粒在沉降过程中不是球形,而是板状或管状的,其最大截面积垂直于运动方向(8),因此颗粒的阻力增大,沉降速度减小。而沉降法中粒径与沉降速度成正比(如公式1所示),因此,随着速度的降低,计算出的粒径也随之减小。因此,沉降法粒径分布在< 2μm的范围内的含量更高。

 

6结论

本文用激光衍射法测定了土壤和海洋沉积物的粒度分布及其含量。从实验结果可得到,PSA的测量范围很广,涵盖了所有主要的沉积物组分,从亚微米级的粘土到毫米级的沙子,使PSA能够满足对广泛样本的表征。

实验结果显示,3米和5米深处采集的土壤样品含有不同比例的粘土和淤泥。5米深处的样品颗粒在0.04 - 50μm范围内含量更高。这意味着此样品颗粒尺寸更小,与在3米处采集的样品相比,有更高的保水率。

从土壤类型三角图上看,这两种土壤样本都被归类为淤泥土壤。它们的过滤率均很低,能够为植物提供了适量的水分和养分。典型的强压实耕层土样具有相同的淤泥土壤特征。

在海洋沉积物样品中,颗粒大小表明风化过程的进展,风化过程随气候、地形、排水面积和岩石类型的不同而不同。对测试样品而言,高含量的粘土和淤泥表明了更强、更持久的侵蚀过程。

最后,实验得出,不同的测量技术得出不同的粒径分布结果,因为每种技术都有特定的原理并因此引入其特有的偏差。

因此,只有在适当的条件下,才能将激光衍射分析提供的数据与筛分和沉积技术提供的数据进行直接比较,这有助于解释结果中存在的差异。

可以肯定的是,与其他技术相比,激光衍射粒度仪可以在更宽的粒径范围内进行更快速且重复性好的测试。

 

7参考文献




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