測量土壤顆粒密度的體積置換方法及設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種測量土壤顆粒密度的體積置換方法，通過體積置換的方式，以注水體積換算出土壤顆粒體積，烘干稱量出土壤顆粒質量，從而計算土壤顆粒密度。本發(fā)明測量土壤顆粒密度的體積置換方法，通過濕土法或者干土法實現(xiàn)。本發(fā)明還提供本發(fā)明方法所用的設備，由恒容容器、稱重設備、注水設備、烘干設備組成，其中恒容容器用于盛放待測土樣，注水設備用于往恒容容器中注水，烘干設備用于烘干待測土樣，稱重設備用于稱量質量。本發(fā)明的方法可適用于任意質地土壤的顆粒密度測量，操作過程簡單、方便，克服長期以來測量土壤顆粒密度的比重瓶法、浮稱法、虹吸筒法等存在的操作復雜、測量范圍有局限性等問題。
【專利說明】 測量土壤顆粒密度的體積置換方法及設備
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及土壤學領域，具體涉及一種測量土壤顆粒密度的體積置換方法及設備。
【背景技術】
[0002]土壤中固體顆粒對土中熱量、水分、化學物質的保持、運移都有顯著的影響。土壤顆粒密度，又稱土壤比重，即單位體積土壤(不含孔隙)的烘干質量，其大小與土壤的礦物結構以及其化學組成有關，是土的基本物理性指標之一，也是計算孔隙比和評價土類等的主要指標，土壤顆粒密度的測定是土工常規(guī)物理試驗的重要項目。
[0003]目前，測量土壤顆粒密度主要有比重瓶法、浮稱法、虹吸筒法等。比重瓶法作為國內外使用較多的一種實驗室測量的常規(guī)方法，雖然測量精度較高，但僅限于測量粒徑小于5mm的土樣，并且其測量操作過程較繁瑣，在試驗開始前要對儀器設備進行校準，且比重瓶需定期進行抽樣校正，除此之外，該方法對試驗的溫度條件要求較高，測量誤差因素多，重復性差。而浮稱法、虹吸筒法等其他測量方法也有測量操作過程比較復雜、測量范圍有局限性等缺點。

【發(fā)明內容】

[0004]為了克服長期以來測量土壤顆粒密度的比重瓶法、浮稱法、虹吸筒法等存在的操作復雜、測量范圍有局限性等問題，本發(fā)明旨在提供一種測量土壤顆粒密度的體積置換方法及設備。
[0005]本發(fā)明測量土壤顆粒密度的體積置換方法的原理如下:
[0006]土壤顆粒密度=土壤顆粒質量+ 土壤顆粒體積
[0007]本發(fā)明通過體積置換的方式，以注水體積換算出土壤顆粒體積，烘干稱量出土壤顆粒質量，就可計算土壤顆粒密度?？梢酝ㄟ^濕土法或者干土法測定:
[0008]( I)濕土法
[0009]濕潤土壤是由土壤顆粒、水和氣體組成的三相混合體，濕潤土壤的體積為土壤顆粒、水和氣體三者的體積之和，但由于空氣所占的質量很小，在測量計算中可以忽略不計，所以待測土樣質量主要由土壤顆粒質量和待測土樣含水質量確定，即待測土樣質量?土壤顆粒質量+待測土樣含水質量。
[0010]待測土樣裝入恒容容器后，稱重計算出待測土樣質量。向裝有待測土樣的恒容容器中注滿水，注水的過程是將恒容容器和待測土樣中充氣孔隙中的氣體以水置換出來，稱重即可計算出濕土法注水體積。烘干待測土樣，得到待測土樣含水體積與土壤顆粒質量，恒容容器容積減去濕土法注水體積和待測土樣含水體積就得到了土壤顆粒體積，最后以土壤顆粒質量和土壤顆粒體積計算土壤顆粒密度。
[0011](2)干土法
[0012]將待測土樣烘干后裝入恒容容器(也可裝入恒容容器后再烘干)，得出土壤顆粒質量，然后向裝有烘干土的恒容容器中緩慢注滿水，排盡氣體，使土壤顆粒與注水充滿恒容容器的空間，計算得到干土法注水體積，恒容容器容積減去干土法注水體積就得到了土壤顆粒體積，最后以土壤顆粒質量和土壤顆粒體積計算土壤顆粒密度。
[0013]無論是濕土法還是干土法，由于土樣裝得緊密還是裝得松散都僅影響土壤中充氣孔隙的情況，不會影響土壤顆粒質量和土壤顆粒體積，因此取樣時可以任取待測土樣。
[0014]本發(fā)明提供的一種測量土壤顆粒密度的體積置換方法，具體步驟如下:
[0015]I)濕土法
[0016]將待測土樣裝入容積V0、質量MO的恒容容器，稱重記為Ml ；向裝有待測土樣的恒容容器中注滿水，稱重記為M2 ;烘干,稱重記為M3 ；
[0017]計算公式如下:
[0018]土壤顆粒質量=M3_M0 ;
[0019]待測土樣含水體積=(M1-M3) +水密度；
[0020]濕土法注水體積=(M2-M1) +水密度；
[0021 ] 土壤顆粒體積=W-濕土法注水體積-待測土樣含水體積；
[0022]土壤顆粒密度=土壤顆粒質量+ 土壤顆粒體積；
[0023]或2)干土法
[0024]將待測土樣裝入容積V0、質量MO的恒容容器烘干(也可烘干后再裝入恒容容器)，稱重記為M3 ;向裝有烘干土的恒容容器中緩慢注滿水,稱重記為M4 ；
[0025]計算公式如下:
[0026]土壤顆粒質量=M3_M0 ；
[0027]干土法注水體積=(M4-M3) +水密度；
[0028]土壤顆粒體積=VO-干土法注水體積；
[0029]土壤顆粒密度=土壤顆粒質量+ 土壤顆粒體積；
[0030]所述恒容容器由一個形狀規(guī)則且不易變形的容器及其上端的液面定位蓋組成，在液面定位蓋上設有注水口，在容器口設有溢水口 ；通過在容器的上端加蓋液面定位蓋控制容器內的容積為恒定，通過注水口向恒容容器內緩慢補充液體，溢水口用于排出超出恒容容器容積的液體。
[0031]其中，所述烘干為105°C烘干72h。
[0032]其中，所述恒容容器優(yōu)選為圓柱形、長方體或多棱柱等形狀。
[0033]其中，所述恒容容器的材料要求有一定斥水性且不易變形，并可以耐105°C高溫。陶瓷材料或一般的金屬材料如鋁、不銹鋼、合金等均可。
[0034]其中，所述注滿水，為往恒容容器內加水到液面接近恒容容器口，蓋上液面定位蓋，通過注水口緩慢向內滴水至溢水口處有水滴出現(xiàn)為止。
[0035]其中，計算過程可通過人工計算、計算器計算、計算機計算，優(yōu)選為將測定的數(shù)據(jù)直接導入計算機，根據(jù)編入所需公式自動計算得出土壤顆粒密度。
[0036]本發(fā)明的另一目的是提供測量土壤顆粒密度的體積置換方法所用的設備，由恒容容器、稱重設備、注水設備、烘干設備組成；其中恒容容器用于盛放待測土樣，注水設備用于往恒容容器中注水，烘干設備用于烘干待測土樣，稱重設備用于稱量質量。
[0037]其中，所述稱重設備為天平，優(yōu)選電子天平。[0038]其中，所述注水設備優(yōu)選滴管，更優(yōu)選膠頭滴管。
[0039]其中，所述計算設備優(yōu)選計算機。
[0040]其中，所述烘干設備優(yōu)選烘干箱。
[0041]本發(fā)明還提供所述測量土壤顆粒密度的體積置換方法在測定土壤物理性質中的應用。
[0042]本發(fā)明提供的優(yōu)點是:
[0043]本發(fā)明的測量土壤顆粒密度的體積置換方法可適用于任意質地土壤的顆粒密度測量，操作過程簡單、方便，克服長期以來測量土壤顆粒密度的比重瓶法、浮稱法、虹吸筒法等存在的操作復雜、測量范圍有局限性等問題，具有很好的應用前景。
[0044]本發(fā)明測量土壤顆粒密度的體積置換方法的設備穩(wěn)定性良好，可以測量任意體積/質量土壤的初始質量和注水后土壤與水的總質量，通過計算得到土壤顆粒密度，方便、快捷、準確。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]圖1實施例1中本發(fā)明測量土壤顆粒密度的體積置換方法所用設備的結構示意圖。
[0046]圖2實施例1中本發(fā)明測量土壤顆粒密度的體積置換方法所用設備中的恒容容器結構示意圖。
[0047]圖3實施例1中本發(fā)明測量土壤顆粒密度的體積置換方法所用設備中的恒容容器照片。
[0048]圖4實施例5中本發(fā)明干土法和濕土法測量土壤顆粒密度的結果比較圖。
[0049]其中，I為恒容容器,2為電子天平,3為膠頭滴管,4為注水口，5為溢水口，6為液面定位蓋。
【具體實施方式】
[0050]以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0051]實施例1本發(fā)明測量土壤顆粒密度的體積置換方法所用設備
[0052]本發(fā)明測量土壤顆粒密度的體積置換方法所用設備結構圖如圖1所示，包括恒容容器1、稱重設備電子天平2 (上海卓精電子科技有限公司，型號:BSM-5200.2)、注水設備膠頭滴管3 (實驗室常用的普通玻璃質膠頭滴管)、烘干設備為烘干箱(中外合資重慶四達實驗儀器有限公司，型號:CS101-1E)(圖中未顯示)。
[0053]其中，恒容容器I (包括去掉液面定位蓋的恒容容器和液面定位蓋)的結構示意圖如圖2所示，實物照片見圖3。恒容容器I為一個圓柱形帶液面定位蓋容器，在液面定位蓋6上設有注水口 4，在容器口設有溢水口 5。恒容容器3內徑75mm，外徑81mm，高63mm，壁厚3mm,其液面定位蓋6厚3mm。溢水口 5深3mm,寬度5mm,為向內切割45° ;注水口 4下端口直徑為2_，上端口直徑略大于下端口。恒容容器I材料為金屬材料。
[0054]實施例2測量土壤顆粒密度的體積置換方法一濕土法
[0055]所用設備參見實施例1。
[0056]所用土壤為4種土壤材料，分別為采自陜西楊凌的黏黃土、北京的粉壤土、吉林的黑土和江西的黏紅土(以下分別稱為Tl、T2、T3、T4)，以檢驗該方法對不同土壤的測量精準度。Tl、T2、T3、T4分別預制成5種設計含水率:10%、15%、20%、25%、30%。重復測量3~4次。
[0057]測定方法如下:
[0058]將待測土樣裝入容積V0、質量MO的恒容容器，稱重記為Ml ；向裝有待測土樣的恒容容器中注水，當液面接近恒容容器口時停止注水，蓋上液面定位蓋，然后用膠頭滴管通過注水口繼續(xù)緩慢向恒容容器中逐滴加水，直到溢水口處有水滴出現(xiàn)時停止，此時土壤顆粒與水充滿恒容容器，土樣達到飽和狀態(tài)，注入的水將原來存在于土樣中的空氣全部置換出來。用吸水紙擦凈恒容容器壁上殘留的水潰，電子秤讀數(shù)穩(wěn)定不變時讀取數(shù)值，稱重記為M2 ;烘干，稱重記為M3 ；
[0059]計算公式如下:
[0060]土壤顆粒質量=M3_M0 ；
[0061]待測土樣含水體積=(M1-M3) +水密度；
[0062]濕土法注水體積=(M2-M1) +水密度；
[0063]土壤顆粒體積=W-濕土法注水體積-待測土樣含水體積；
[0064]土壤顆粒密度=土壤顆粒質量+ 土壤顆粒體積。
[0065]測量結果取重復測量數(shù)據(jù)的平均值，可以得到4種土壤在不同設計含水率條件下測得的土壤顆粒密度。結果如表1所示:
[0066]表1濕土法通過體·積置換測量土壤顆粒密度的結果
[0067]
【權利要求】
1.一種測量土壤顆粒密度的體積置換方法，具體步驟如下: I)濕土法 將待測土樣裝入容積V0、質量MO的恒容容器，稱重記為Ml ;向裝有待測土樣的恒容容器中注滿水，稱重記為M2 ;烘干,稱重記為M3 ； 計算公式如下: 土壤顆粒質量=M3-M0 ； 待測土樣含水體積=(M1-M3) +水密度； 濕土法注水體積=(M2-M1) +水密度； 土壤顆粒體積=VO-濕土法注水體積-待測土樣含水體積； 土壤顆粒密度=土壤顆粒質量+ 土壤顆粒體積； 或2)干土法 將待測土樣烘干后裝入容積V0、質量MO的恒容容器內，稱重記為M3 ;向裝有烘干土的恒容容器中緩慢注滿水，稱重記為M4 ； 計算公式如下: 土壤顆粒質量=M3-M0 ； 干土法注水體積=(M4-M3) +水密度； 土壤顆粒體積=VO-干土法注水體積； 土壤顆粒密度=土壤顆粒質量+ 土壤顆粒體積； 所述恒容容器由一個形狀規(guī)則且不易變形的容器及其上端的液面定位蓋組成，在液面定位蓋上設有注水口，在容器口設有溢水口 ；通過在容器的上端加蓋液面定位蓋控制容器內的容積為恒定,通過注水口向恒容容器內緩慢補充液體，溢水口用于排出超出恒容容器容積的液體。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述烘干為105°C烘干72h。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述注滿水，為往恒容容器內加水到液面接近恒容容器口，蓋上液面定位蓋，通過注水口緩慢向內滴水至溢水口處有水滴出現(xiàn)為止。
4.權利要求1-3任一項所述方法所用的設備，其特征在于，由恒容容器、稱重設備、注水設備、烘干設備組成；其中恒容容器用于盛放待測土樣，注水設備用于往恒容容器中注水，烘干設備用于烘干待測土樣，稱重設備用于稱量質量。
5.權利要求4所述的設備，其特征在于，所述稱重設備為天平。
6.權利要求5所述的設備，其特征在于，所述稱重設備為電子天平。
7.權利要求4所述的設備，其特征在于，所述注水設備為滴管。
8.權利要求4所述的設備，其特征在于，所述烘干設備為烘干箱。
9.權利要求1-3任一項所述方法在測定土壤物理性質中的應用。
【文檔編號】G01N9/02GK103592201SQ201310492554
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月18日 優(yōu)先權日:2013年10月18日
【發(fā)明者】雷廷武, 馬玉瑩 申請人:中國農業(yè)大學