GRNTI 68.00 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The use of local materials in the design of hydraulic structures of reclamation systems will significantly reduce their cost. Object. The objects of research are sapropels, sands and mixtures based on them. Materials and methods. Standard methods were used to deter-mine particle size distribution, porosity, density, and capillary rise height. Results and conclusions. The analysis of the data obtained showed good convergence of the experi-mental one after 1 day and the theoretical heights of the capillary rise for sands at a con-tact angle of 30
sapropel, sand-sapropel mixture, capillary rise height, contact wetting angle
Введение. Сложность почвенно-климатических условий Республики Беларусь обуславливает необходимость применение факторов интенсификации сельскохозяйственного производства. Однако их применение в ряде случаев невозможно без проведения предварительных мелиоративных мероприятий.
Почвообразующие породы на территории республики – это четвертичные ледниковые отложения, образованные порядка 10-12 тысяч лет назад, когда ледник из Скандинавии спускался по долине реки Днепр. В южной части (Белорусское Полесье), представляющей собой плоскую низменность, по данным А.Е. Волкова (1982) почвообразующими породами выступают флювиогляциальные пески и супеси (32 и 26% соответственно), а также болотные образования (26%) преимущественно низинного типа. Торфяники, как правило, малой мощности, до 1 м, и подстилаются песками и супесями.
Получение высоких и стабильных урожаев на мелиорированных землях зависит от трудно регулируемых жизненно важных для растений факторов окружающей среды, таких как свет и тепло, однако также невозможно без создания оптимального водно-воздушного режима почвы. Это особенно актуально на почвах легкого механического состава, где недостаток влаги в корнеобитаемом слое из-за неравномерности осадков и малой влагоемкости зачастую перечеркивает все трудовые, материальные и технологические усилия, направленные на получение максимальной урожайности.
Решение данной проблемы невозможно без применения водоподпорных и водорегулирующих сооружений на мелиоративных системах. Высокая водопроницаемость грунтов в основании сооружений требует в обязательном порядке применения противофильтрационных мероприятий, направленных на защиту подземного контура от разрушения в результате действия фильтрационного потока, снижения выходных градиентов напора за сооружением, уменьшения потерь воды на фильтрацию [1].
Конструкции противофильтрационных устройств, как, впрочем, и материалы из которых они выполняются, весьма разнообразны. Актуальным является вопрос совершенствования конструкций и технологии их возведения, направленный на применение местных материалов и как следствие снижение затрат при сохранении эксплуатационных параметров в заданных пределах [2].
Материалы и методы. В качестве испытуемых материалов выступали песок, сапропель и песчано-сапропелевые смеси. Применялись стандартные методики определения гранулометрического состава, пористости, плотности, высоты капиллярного поднятия. Песчано-сапропелевые смеси готовились путем перемешивания песка с суспензией сапропеля в пропеллерной мешалке с целью получения состава с определенным количеством сапропеля в смеси. Физические свойства грунтов приведены в работе [3].
Результаты и обсуждение. Воздействие мелиоранта на грунт ведет к трансформации его водно-физических свойств. Реальные грунты состоят из частиц разнообразного размера и формы поэтому здесь возникают сложности с подбором математической модели. И тем более сложнее дело обстоит с почвами, с их способностью формировать сложные пространственные конструкции, склонностью к агрегатированию. В этом случае для интерпретации изменчивости свойств можно воспользоваться моделью фиктивного грунта.
Модель фиктивного грунта подходит для оценки его пористости, поскольку в ней грунт заменяется эквивалентным, состоящим из шарообразных частиц одного размера. Пористость фиктивного грунта изменяется от 25,95% в плотном сложении до 47,64% в рыхлом сложении в зависимости от комбинации контакта при контакте всех частиц [4]. В этом случае соотношение диаметров частиц с диаметром вписанной окружности между шарообразными частицами определяется как D/d1=2,41 для случая четырех контактной комбинации (рисунок 1) и D/d2=6,46 – для случая трех контактной комбинации.
Рисунок 1 – Соотношения между диаметром шарообразной частицы и цилиндрической поры (по Ю.Г. Бабаскину, 2013)
Здесь стоит отметить, что размер порового пространства для фиктивного грунта зависит от схемы взаимного расположения частиц (рисунок 1). Так при статически неустойчивой укладке пористость составляет 47,64%, а при статически устойчивой – 25,95%. Эти граничные значения пористости фиктивного грунта соответствуют углам ромбоэдра от 90 до 60° (рисунок 2). Для углов внутри этого диапазона пористость определим по формуле Ч. Слихтера
n=1-П / 6 (1-cosa) 1+2cosa (1)
.
Рисунок 2 – Соотношения между диаметром шара и цилиндрической поры
Задаваясь значениями угла (α) через 1° в диапазоне от 90 до 60°, определили графически значения цилиндрической поры d (рисунок 2) и рассчитали отношение (D/d) и соответствующие данному углу значения пористости (n) по формуле (1). Зависимость соотношения диаметра частиц к диаметру цилиндрической поры от пористости
Рисунок 3 – Зависимость отношения диаметра частиц к диаметру цилиндрической поры от пористости
Данная зависимость описывается уравнением
y = - 3187,.2x4 + 4458,7x3 - 2322,5x2 + 518,05x -35,063
с величиной достоверности аппроксимации R² = 0,9989.
Тогда уравнение примет вид:
D/d = -3187,2n4 + 4458,7 n3 - 2322,5n2 +
Откуда диаметр цилиндрической поры:
d= D/(- 3187,2n4 + 4458,7 n3 - 2322,5n2+518,05n - 35,063)
В реальных грунтах, и особенно почвах, ситуация кардинально отличается в связи с формированием пространственных структур, возникающих в результате ее обработки, роста корневой системы, изменения влажности и т.п., в результате чего размеры пор оказываются больше размеров частиц.
Открытым остается вопрос о том, какой диаметр частиц реального грунта будет соответствовать модели фиктивного грунта. Ответить на него поможет теория эквивалентной сферы, согласно которой при измерении некоторых характеристик частиц предполагается, что они соотносятся с диаметром эквивалентной сферы, в результате чего отсутствует необходимость в описании частицы несколькими числовыми значениями (геометрические размеры – длина, ширина, высота; масса, площадь поверхности, объем и т.д.). Наиболее распространенными в настоящее время являются: объемно-эквивалентный, поверхностно-эквивалентный, массово-эквивалентный, ситовой и диаметр Стокса.
И как нам кажется, наиболее подходящей здесь будет выступать средневзвешенный размер зерен, определяемый по результатам механического анализа грунта. Для этого реальный грунт, состоящий из частиц различного диаметра, приводится к модели фиктивного грунта путем подсчета среднего размера зерен каждой фракции и далее средневзвешенного размера зерен по данным механического анализа.
Средний размер зерен фракции
dсрi = (di+di-1) / 2
где di+di-1 – граничные размеры зерен фракции.
Средневзвешенный размер зерен:
Dср = dсрi mi/100
где mi – объем фракции, %;
n – количество фракций при выполнении механического анализа.
Результаты определения средневзвешенных размеров зерен исследованных грунтов приведен в таблице.
Средневзвешенные размеры зерен исследованных грунтов
|
Грунт / Ground |
Песок 1 / Sand 1 |
Смесь 1 / Blend 1 |
Смесь 2 / Blend 2 |
Смесь 3 / Blend 3 |
Песок 2 / Sand 2 |
Смесь 4 / Blend 4 |
Смесь 5 / Blend 5 |
Смесь 6 / Blend 6 |
Песок средний [5] / Medium sand [5] |
|
Dср , мм |
0,440 |
0,418 |
0,398 |
0,377 |
0,318 |
0,306 |
0,289 |
0,277 |
0,817 |
Сопоставив реальный грунт с фиктивным проанализируем взаимосвязь теоретической и опытной высоты капиллярного подъема воды. Смачиваемость грунта влияет на гидрологические процессы, такие как инфильтрация, просачивание, подземный и поверхностный сток, тесно связана с углом контакта грунта с водой и зависит от свободной энергии твердой поверхности.
Высота подъема жидкости в капилляре зависит от его величины, свойств жидкости и поверхности капилляра. В работе [6] А.А. Роде приводит вывод формулы Дж. Джурина (Дж. Жюрена) на примере цилиндрического капилляра
h= 2s cosq/rgr (3)
где h – высота подъема, см;
s – коэффициент поверхностного натяжения, для воды равен 74 дин/см;
r – плотность жидкости, для воды 1,0 г/см3;
q – угол смачивания жидкостью стенки капилляра, часто принимаемый 0°;
g – ускорение свободного падения, равное 981 см/с2;
r – радиус капилляра, см.
Основываясь на расчетах высоты капиллярного подъема, выполненных многими исследователями по формуле (8), С.А. Владыченский (1964) делает вывод о ее малой пригодности для практических целей ввиду завышения значений по сравнению с фактическими наблюдениями.
По данным Dr. Christopher Rulison (Augustine Scientific) краевой угол смачивания дистиллированной водой для пучка нитей оптоволокна равен 54,75° [7]. Стеклянные оптические волокна изготавливаются из кварцевого стекла – однокомпонентного стекла из чистого оксида кремния (SiO2), получаемого плавлением горного хрусталя, жильного кварца или кварцевого песка. Расчет высоты капиллярного поднятия при угле 54,75° дает результат в 1,73 раза меньший в сравнении с аналогичным, но при угле 0°. Исследования других авторов подтверждают вариацию значений краевого угла смачивания в зависимости от контактирующей поверхности. По данным (Р.Г. Ефремов и др.) краевой угол смачивания для парафина q=109°, фторопласта – 112° [8]. По данным (Е.В. Шеин и др.) контактный угол смачивания для каолинита и монтмориллонита составил соответственно – 30,85° и 48,4° в первоначальном состоянии, а после инкубирования в течение 2 месяцев с «чистой культурой Bacillus circulans в среде для культивирования силикатных бактерий» [9] – 54,5° и 67,7° соответственно. Увеличение контактного угла смачивания объясняют гидрофобизацией. По данным (Shang J. и др.) [10] для каолинита составляет 27,8º, монтмориллонита – 55,7º. По данным (А.Г. Болотов) [11] для чернозема южного легкосуглинистого – 83,1° и объясняется значительным содержанием гумуса. По данным (В.А. Холодов и др.) от 11° до 85° для дерново-подзолистых почв и типичных черноземов различного гранулометрического состава [12].
В формулах для определения высоты капиллярного подъема принимают, что движение осуществляется по цилиндрическим капиллярам или по промежуткам между цилиндрическими частицами. И ни одна из предложенных формул не учитывает уменьшение порового пространства за счет наличия физически связанной воды. Однако в реальных породах очень мелкие поры буквально закупорены связанной водой, а некоторые крупные поры благодаря присутствию пленок воды уменьшаются до размера капилляров. Нами предложена зависимость, позволяющая учесть наличие данного вида воды [13, 14].
С целью сопоставления опытной и теоретической высот капиллярного поднятия провели серию опытов. Высоту капиллярного поднятия определяли в результате наблюдений за поднятием воды в стеклянной трубке диаметром 2-3 см высотой 100 см, заполненной исследуемым песком (рисунок 4).
Рисунок 4 – Определение высоты капиллярного поднятия
Теоретическую высоту капиллярного подъема определяли по формуле, задаваясь величиной краевого угла смачивания. Диаметр цилиндрической поры определяли по формуле (5). Так для песка №1 диаметр цилиндрической поры d=0,009 см, высота капиллярного подъема h=29,2 см при q = 30°, опытная высота капиллярного подъема равна h=28,0 см через 1 сутки. Для песка №2 диаметр цилиндрической поры d=0,0063 см, высота капиллярного подъема h=41,7 см при q = 30°, опытная высота капиллярного подъема равна h=40,9 см через 1 сутки. Для песка среднего [5] диаметр цилиндрической поры d=0,0165 см при пористости n=0,359, высота капиллярного подъема h=15,8 см при q = 30°, опытная высота капиллярного подъема равна h=14,1 см через 1 сутки.
Выводы. Проведенные исследования показали сходимость опытной через 1 сутки и теоретической высот капиллярного поднятия в пределах 5-10% при краевом угле смачивания, равном 30°. Если для чистых кварцевых песков его значение допустимо принимать равным 54,75°, то для исследованных песков со значительным содержанием полевых шпатов его значение снижается.
В реальных грунтах, сложенных частицами разнообразных размеров и форм на капиллярные свойства большое влияние оказывают примеси мелкодисперсных фракций. Пески в силу своей крупно зернистости характеризуются наличием крупных пор и как следствие слабым проявлением капиллярных сил, действующих в основном на стыках частиц (вода уголков пор).
В смесях песка с сапропелем частицы сапропеля частично заполняют крупные поры песка приближая их к размерам капилляров. Органика в сапропеле удерживает несопоставимо большее количество воды, нежели минеральные зерна. В результате мы имеем грунт с более ярко выраженными капиллярными свойствами. С размером порового пространства тесно связаны влагоемкость и проницаемость пород. Через поры крупного размера воде легче просачиваться. В капиллярах воде перемещаться сложнее, поскольку кроме силы тяжести на движение начинают влиять капиллярные силы, и чем миниатюрнее поры, тем сильнее это влияние.
1. Borovikov A.A. / O neobhodimosti meropriyatiy inzhenernoy zaschity vo-dopodpornyh i vodoprovodyaschih sooruzheniy // Vestnik meliorativnoy nauki. 2021. №1. S. 4-8.
2. Bocharnikov, V.S. Effektivnost' protivofil'tracionnoy peschano-sapropelevoy zavesy na primere shlyuza-regulyatora meliorativnyh sistem / V. S. Bocharnikov, A. A. Borovikov // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. 2021. № 4 (64). S. 463-471.
3. Bocharnikov, V.S. K voprosu o sapropelyah i ih vliyaniyu na vodno-fizicheskie svoystva v smesyah s peskom pri stroitel'stve i ekspluatacii inzhe-nerno-meliorativnyh sistem / V. S. Bocharnikov, A. A. Borovikov // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vysshee professio-nal'noe obrazovanie. 2021. № 4 (64). S. 324-334.
4. Babaskin Yu.G. Dorozhnoe gruntovedenie i mehanika zemlyanogo polotna: ucheb. posobie / Yu.G. Babaskin. – Mn: Novoe znanie; M.: INFRA-M, 2013. – 462 s. [2 l.] il.: il.
5. Nesterov, M. V. Primenenie protivofil'tracionnyh zaves, vozvodimyh metodom «stena v grunte» s ispol'zovaniem sapropeley: rekomendacii / M. V. Nesterov, A. A. Borovikov, D. M. Leyko. – Gorki: Belorus. gos. s.-h. akad., 2002. – 80 s.
6. Rode A. A. Izbrannye trudy. T. 3. Osnovy ucheniya o pochvennoy vlage. – M.: Pochvennyy in-t im. V. V. Dokuchaeva Rossel'hozakademii, 2008. – 664 s.
7. Rulison, C. Opredelenie smachivaemosti poverhnostey (volokon i pori-styh materialov) / Dr. Christopher Rulison (Augustine Scientific) [Elektronnyy re-surs]. – Rezhim dostupa: https://tirit.org/articles/surface_09.php. – Data dostupa: 20.07.2020.
8. Chugunov, A. O. Fizicheskaya vodoboyazn' / A. O. Chugunov, A. A. Polyanskiy, R. G. Efremov // Priroda. – 2013. – № 1. – S. 24–34.
9. Novye pribory dlya izucheniya fizicheskih svoystv pochv: 3D-tomografiya, reologicheskie parametry, kontaktnyy ugol / E. V. Shein [i dr.] // Vestn. AGAU. – 2014. – № 5 (115). – S. 44–48.
10. Comparison of different methods to measure contact angles of soil colloids / J. Shang [et al.] // J. of Colloid and Interface Science. – 2008. – Vol. 328, Iss. 2. – P. 299–307.
11. Bolotov, A. G. Modificirovannyy metod pod'ema kapillyarnoy kaymy dlya opredeleniya kontaktnogo ugla smachivaniya v pochve / A. G. Bolotov // Vestn. AGAU. – 2015. – № 3 (125). – S. 27–30.
12. Kontaktnye ugly smachivaniya i vodoustoychivost' pochvennoy struktury / V. A. Holodov [i dr.] // Pochvovedenie. – 2015. – № 6. – S. 693–701.
13. Borovikov A.A. Melioraciya peschanyh gruntov suspenziey sapropelya / A.A. Borovikov // Melioraciya. – 2012. – №1. – S. 220–229.
14. Borovikov A.A. Ocenka suffozionnoy ustoychivosti mineral'nyh grun-tov / A.A. Borovikov // Melioraciya. – 2021. – №1(95). – S. 19–24.
