ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2004, № 6, с. 697-701
УДК 630:54:631
ФИЗИКА ПОЧВ
ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬИОИ распашки на прочность почвенных агрегатов
© 2004 г. К. Г. Моисеев, И. А. Романов
Агрофизический институт, 195220, С.-Петербург, Гражданский пр. 14 Поступила в редакцию 12.04.2001 г.
Основная обработка почв приводит к изменению механической прочности агрегатов. Прочность агрегатов черноземов, в воздушно сухом состоянии закономерно убывает с возрастанием интенсивности и длительности их сельскохозяйственного использования. Величина прочности сухих агрегатов для чернозема колебалась от 41 до 59 кПа. Исследовалось также влияние обработки агрегатов почв композиционным вяжущим составом - поликомплексом на основе мочевины (ПКМ) на прочностные свойства агрегатов черноземов и дерново-подзолистых почв в воздушно-сухом и водона-сыщенном состоянии. Обработка ПКМ, благоприятна для упрочнения агрегатов дерново-подзолистых почв и противопоказана для черноземов в любом состоянии влажности.
ВВЕДЕНИЕ
Почвы тяжелого гранулометрического состава обладают высоким потенциальным плодородием, однако их эффективное плодородие, в зоне избыточного увлажнения довольно низкое, что связано со слабой структурностью, высокой плотностью и ничтожно малой водопроницаемостью. Агромелиоративные мероприятия улучшают водно-воздушный режим таких почв только на короткий период. Наиболее кардинальный способ решения этой проблемы является коренное улучшение физико-механических свойств высоконабухающих почв и грунтов с помощью искусственных структурообразователей, придающих почвенным агрегатам механическую прочность, как в воздушно-сухом, так и в водонасы-щенном состоянии.
Известные структурообразователи акрилового ряда - ПАА, гИпАн и их аналоги - крилиумы не эффективны. В последние годы, в МГУ, создали новый класс полимеров - поликомплексы (ПК), которые после их модификации имеют сшитую структуру полимерного комплекса с сильными (ковалентными) и слабыми (водородными) связями. В зависимости от состава и соотношения компонентов комплекса получаются ПК разной физико-химической активности, не растворимые и не набухающие в воде с разным соотношением ковалентных и водородных связей внутри полимерного комплекса. Это обеспечивает почвенным агрегатам, обработанным ПК, высокую механическую прочность в водонасыщен-ном состоянии.
В лабораторных и лабораторно-полевых испытаниях при воздействии дезагрегирующих факторов, установлена высокая стабильность обработанных ПКМ почвенных агрегатов обеспе-
чивающих оптимальный водно-воздушный режим тяжелых почв. Однако со временем, все же происходит разрушение почвенных агрегатов. Деградация почвенной структуры в процессе сельскохозяйственного использования идет на двух уровнях. Первый или макроуровень - внешнее морфологическое, то есть очевидное изменение в строении агрегатов и их пространственного расположения, слитизация почвенной массы, формирование слитых почв. Второе - это внутренние, скрытые до поры изменения на микроуровне, заключающиеся в старении органического вещества почвы в отсутствие свежих поступлений, а также разрушение органических органо-минеральных и минеральных вяжущих веществ.
При изучении особенностей структурного строения почвы и когда вопрос ставится в ракурсе оценки ее прочностных, деформационных, или физических свойств более предпочтительным является энергетический подход.
Максимальной энергией взаимодействия между механическими элементами почвы характеризуются связи кристаллизационного типа. Величина энергии связи составляет 10-3-10-1 Дж/см3. По мере увеличения содержания влаги в почве энергия связи между частицами уменьшается, минимальная энергия связей соответствует коагуляци-онному типу, энергия связей здесь составляет величину порядка 10-7-10-5 Дж/см3 [5]. В общем же эта зависимость имеет более сложный характер: каждый тип структуры имеет несколько подтипов, различающихся величиной энергии связи, и способностью к восстановлению (обратимостью), например, кристаллизационный тип разделяется на растворимый и нерастворимый, конденсационный - на обратимый и необратимый по воде и т.д. [5].
При исследовании сухих почвенных агрегатов наибольшее значение имеют фазовые контакты между элементарным почвенными частицами внутри агрегата. Фазовые контакты не тиксот-ропные и обусловленные в основном химическими связями формируются веществами клеящей природы.
Органические соединения образующие фазовые контакты, обладают способностью не только адгезии (прилипать к другим телам), но и приобретать с течением времени внутреннюю прочность (когезия). Поэтому дисперсные структуры на основе клеящих органических веществ обладают высокой прочностью [3].
О качественном составе вяжущих веществ косвенно можно судить по характеру разрушения агрегата. Агрегаты, прочность которых обусловлена кристаллизационным типом связей внутри агрегата, разрушаются хрупко, а само разрушение сопровождается характерным звуком [1, 2].
Присутствие органических и неорганических вяжущих веществ еще не достаточно для упрочнения почвы. Необходимо наличие полярной жидкости (вода) и создание близкого межчастичного контактирования (стесненности), при котором возможно проявление сил различной природы, приводящих к адгезии и когезии. То есть химический состав - это только одна из составляющих прочности любого пористого тела. Другая - физические свойства: гранулометрический состав почв, пористость, плотность агрегатов и т.д., и третья составляющая заключается в том, что процесс твердения должен происходить в строго определенное время, затягивание этого процесса приводит к резкому ухудшению качеств упрочняемого грунта или почвы [5].
Для цементации, когда твердение осуществляется по гидратационному механизму, важны все три условия: наличие влаги, стесненность, ограничение во времени, то есть кинетический фактор.
Задачи, связанные с созданием водопрочной, механически прочной мало набухающей структуры, и поддержанием оптимальных условий для ее существования в почве, в течение нескольких сезонов могут быть решены, в два этапа, только с учетом и физических и химических факторов, в частности с привлечением искусственных струк-турообразователей.
Поэтому, в задачу данного исследования помимо изучения деградации черноземов в процессе сельскохозяйственного использования входило также определение эффективности поликомплекса на основе мочевины и формальдегида, как органического вяжущего состава, для оптимизации структурно-механических свойств (в том числе и повышения водопрочности агрегатов) дерно-
во-подзолистой почвы и чернозема длительного срока сельскохозяйственного использования.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Для исследования взяты образцы гор. А обыкновенных черноземов (Каменная степь), с глубины 5-15 см. Образец 1 - косимая степь, 2 - пашня 5 лет использования, 3 - пашня 40 лет использования, а также образцы гумусового горизонта дерново-подзолистой почвы дер. Каменка Ленинградской обл. Определено содержание гумуса в черноземах по методу Тюрина. Образцы чернозема и дерново-подзолистой почвы обрабатывались ПКМ разного состава (составы "А" и "С") в концентрации 1.4%. После обработки ПКМ, влажные агрегаты почвы проходили период высушивания - твердения в течение 10 дней.
Прочность при одноосном сжатии естественных агрегатов определялась методом Михаэлиса в модификации Вершинина [6]. А также оригинальным методом, представляющим собой совместное использование штампа и технических весов, автор метода Кудряшов [4]. Под плоский штамп переделан микроскоп. Прочность агрегата измерялась при давлении штампа на агрегат почвы находящийся на чашке весов. В устройство для определения сопротивления сжатию прибора Михаэлиса, вместо формованного образца помещали агрегат почвы, повторность опыта не менее 28-30. Разрушение хрупкое, сопровождалось характерным звуком. При испытании водонасы-щенных образцов почв за максимальное разрушающее напряжение принимали величину предела текучести, разрушение пластичное.
Давление разлома агрегата выражали в кПа. Величины разрушения (предельного давления) естественных агрегатов рассчитаны по формуле:
БР
Р = 0.576 —|, здесь 0.576 - коэффициент пропор-
<
циональности (Роговского), который для почв равен 4ц, ц - коэффициент Пуассона для грунтов, < - диаметр агрегатов, м, - предельная нагрузка на агрегат, Н. Естественные агрегаты испыты-вались из фракции 3-5мм. и 5-7мм.
Кроме того, определены физические свойства исследуемых почв, связанные с механической прочностью: количество водопрочных агрегатов, плотность твердой фазы, влажность набухания и число пластичности. Плотность определена пикно-метрическим методом, количество водопрочных агрегатов, влажность набухания и число пластичности - общепринятыми методами. Для воздушно-сухих агрегатов определена гигроскопическая влажность - методом высушивания при 105°С.
Таблица 1. Результаты испытаний прочности агрегатов фракции 3-5 мм черноземов в воздушно-сухом состоянии при простом (одноосном) сжатии (средний диаметр частиц 0.4 см)
№ образца Средний вес агрегатов, г Рё, Н Прочность, кПа Объем выборки Доверительный интервал, кПа Энергия связей, Дж/см3
1 0.035 168500 59.5 32 50.82-71.94 0.059
2 0.033 135000 46.31 32 39.41-55.12 0.046
3 0.030 115500 41.30 32 33.64-50.80 0.041
Примечание. Доверительный интервал рассчитан для уровня вероятности Р = 0.95.
Таблица 2. Физические свойства черноземов
№ образца Число пластичности Набухание, % Плотность твердой фазы, г/см3 Гигроскопическая влажность, % Содержание гумуса, %
1 27.8 85.6 2.58 4.7 8.18
2 21 82.6 2.57 5.1 8.50
3 19.4 68.7 2.7 5.7 5.76
Таблица 3. Прочность агрегатов фракции 3-5 мм в воздушно-сухом состоянии дерново-подзолистой почвы и чернозема после оструктуривания их ПКМ концентрации 1.4% (средний диаметр частиц 0.4 см)
Почва Обработка Средняя прочность агрегатов, кПа Доверительный интервал, кПа
Дерново-подзолистая Контроль 13.58 11.17-15.84
Дерново-подзолистая ПКМ 10.24 8.45-11.96
Чернозем образца № 3 ПКМ 16.03 13.09-19.62
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Прочность агрегатов в различных по длительности сельскохозяйственного использования черноземах ва
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.