Визначення гранулометричного складу ґрунту методом піпетки (модифікація н.А.Качинського)

Найбільш поширеним способом визначення гранулометричного складу ґрунту являється метод піпетки. Цей метод базується на законі Стокса: швидкість падіння частинок в рідині можна вважати пропорційну квадрату їхнього радіусу, рис. 1. При цьому роблять ряд припущень: середовище падіння (вода) – однорідна, частинки мають шароподібну форму, їх питома вага однакова, вплив конвекційних потоків відсутній та інш. Після скаламучування швидше осядуть крупні гранулометричні елементи, як більш важкі. Цей метод використовують в модифікації Н.А.Качинського. Метод піпетки складається з двох етапів: 1 етап - підготовка ґрунту до аналізу та 2 етап – виділення окремих фракцій з визначенням вагової (процентної) кількості фракцій гранулометричних елементів.

1 . Підготовка ґрунту до аналізу

Основна мета підготовки ґрунту до аналізу полягає в попередньому руйнуванні ґрунтових агрегатів до стану роздільних гранулометричних елементів. Для цього ґрунт піддають колоїдно-хімічній обробці слабким розчином HCl до повного витіснення увібраних катіонів Ca²⁺і Mg²⁺, які переходять в розчин з утворенням хлоридів. При цьому колоїди втрачають можливість до цементації. Відбувається наступна реакція (1):

Подальше кип’ятіння в присутності лугу повністю руйнує агрегати. При кип’ятінні ґрунту з лугом ГВК ґрунту вступає в реакцію з Na і в подальшому колоїди будуть знаходиться в стані золю, реакція (2):

Хід підготовки ґрунту до аналізу:

1. На аналітичних терезах з точністю 0,001 г беруть дві наважки ґрунту по 5 г. Перша наважка служить для приготування суспензії, що буде аналізуватися, друга – визначення втрат ґрунту при обробці соляною кислотою, тому що чим більше в ґрунті сполук кальцію і колоїдних частинок, тим більшою буде величина втрат ґрунту, ця величина враховується при визначенні кількості мулу.

2. В дві великі конічні колби поміщаються лійки з фільтрами. Фільтр другої наважки попередньо зважують. Кожну наважку переносять на фільтр і обливають 100 мл 0,05 н. HCl. При цьому відбувається реакція 1.

Промивання HCl закінчують тоді, коли проба фільтрату покаже відсутність Ca²⁺ і Mg²⁺. Для цього до останніх порцій фільтрату (близько 3 мл), що взятий в пробірку, добавляють близько 1 мл щавлевокислого амонію. При відсутності білої муті промивання закінчують.

3. Після витіснення Ca²⁺ і Mg²⁺ ґрунт на лійках з фільтрами промивають дистильованою водою (200 мл) для видалення надлишку HCl.

4. В подальшому фільтр з другої проби обережно виймається з лійки і переноситься до сушильної шафи для висушування при температурі 105^оС до постійної ваги (приблизно 6 годин). В подальшому сухий фільтр з ґрунтом зважують і визначають вагу абсолютно-сухого ґрунту без ваги сухого фільтру.

Величину втрат ґрунту від обробки HCl розраховують за формулою, результати записують до табл. 4:

де:

M – втрата ґрунт від обробки HCl, %;

а – маса абсолютно-сухого ґрунту, взятого для аналізу, г;

b – маса фільтру, г;

с – маса фільтру з ґрунтом після сушки, г;

100 – для розрахунку в процентах.

5. Першу наважку переносять в нову конічну колбу. Для цього фільтр на лійці проколюється скляною паличкою і наважка ґрунту струменем води з промивалки змивається в чисту колбу. Вміст колби доводиться до 200 мл. В цю суспензію добавляють 5 мл 1н. розчину NaOH і кип’ятять протягом 30 хвилин, відбувається реакція 2.Суспензію в колбі кип’ятять при помірному нагріванні, для зменшення випарування в колбу необхідно вставити лійку, що відіграє роль зворотного холодильника. Після кип’ятіння колбу відставляють для охолодження при кімнатній температурі.

1. Визначення вмісту фракцій гранулометричних елементів

1. Охолоджену суспензію пропускають скрізь сито з отворами 0,25 мм, яке встановлено в скляну лійку, що поміщена в мірному циліндрі на 500 мл. Ґрунт на ситі легенько протирають пальцем і промивають водою із промивалки. Необхідно слідкувати, щоб води в циліндрі не набралось більше 500 мл.

2. Залишок частинок (розмір 1 – 0,25 мм) на ситі декантацією переносять в попередньо зважений бюкс, після чого випаровують воду. Після цього бюкс з ґрунтом зважують з точністю 0,001 г і за вагою сухого залишку (вага бюксу з залишком мінус вага пустого бюксу) розраховують процентний вміст частинок з розміром від 1 до 0,25 мм в взятій для аналізу наважці ґрунту за формулою:

,

Р – кількість крупного і середнього піску, %;

b – вага частинок, що залишились на ситі, г;

c – наважка ґрунту, що взята для аналізу (5), г;

КГ – коефіцієнт гігроскопічності (1,03);

100 – коефіцієнт перерахунку в проценти.

Якщо наважка ґрунту, що взята для аналізу дорівнює 5 г, коефіцієнт гігроскопічності – 1,03, то для полегшення розрахунків кількість крупного і середнього піску (%) можна розрахувати як добуток коефіцієнту 20,6 і ваги частинок, що залишились на ситі. Результати розрахунків заносять до табл. 3 та 4.

3. Проби для визначення кількості гранулометричних елементів дрібніше 0,05 мм беруть піпеткою Робінзона (об’єм 25 мл) з циліндра з суспензією за допомогою аспіраційної установки. Для цього через певний час та з відповідної глибини із циліндра беруть встановлений об’єм суспензії (дивись табл. 5 - ці параметри розраховані для щільності твердої фази ґрунту 2,60 г/см³, температури суспензії 20^оС).

Таблиця 5

№ проби	Діаметр частинок, мм	Глибина занурювання піпетки, см	Час після змучування	№ бюкса	Вага пустого бюксу, г	Вага бюкса з осадком, г	Вага осадку, г	% осадку
1	1-0,25	на ситі	-
2	< 0,05 (секундна проба)	25	1 хв. 55 сек.
3	< 0,01 (хвилинна проба)	10	19 хв. 14 сек.
4	< 0,005 (годинна проба)	10	1 год. 16 хв. 55 сек.
5	< 0,001 (добова проба	7	22 год. 26 хв.

Суспензію змучують спеціальною мішалкою протягом однієї хвилини. За 5-10 сек. до строку взяття проби піпетку занурюють в циліндр на певну глибину і відкривають затиску аспіратору, точно у встановлений час відкривають кран піпетки. Суспензія автоматично втягується в піпетку. В подальшому після забору рівно 25 мл суспензії закривають кран аспіратора і виймають піпетку з циліндра. Вміст піпетки обережно виливають в попередньо висушений і зважений бюкс. Піпетка додатково промивається невеликою кількістю дистильованої води. Рідину в бюксі випаровують і після охолодження в ексикаторі зважують з точністю 0,001 г.

Таким шляхом проводять відбір секундної (частинки менше 0,05 мм), хвилинної (частинки менше 0,01 мм), годинної (частинки менше 0,005 мм), добової (частинки менше 0,001 мм) проб. Час відстоювання відраховується після кожного змучування, доливати воду в циліндр після забору проби забороняється.

Різниця між вагами бюкса з пробою після сушки і пустого бюкса показує кількість фракції гранулометричних елементів в грамах .

Кількість фракцій в процентах розраховуються за формулою:

де:

Х – кількість фракції, %;

500 – об’єм циліндра, мл;

100 – коефіцієнт для переводу в проценти;

а – вага фракції гранулометричних елементів, г;

КГ – коефіцієнт гігроскопічності (1,03);

в – об’єм піпетки (25 мл), мл;

c - наважка ґрунту, що взята для аналізу (5), г.

Для спрощення проведення розрахунків (за умови рекомендованих значень об’єму циліндра, коефіцієнта гігроскопічності, об’єму піпетки, наважки ґрунту, що взята для аналізу) процентна кількість фракцій може бути розрахована, як добуток маси фракції, в грамах, на коефіцієнт 412.

Вірність проведення аналізу повинен відповідати вимогам:

а). M + Р + Х ≤ 100 %,

де:

M - втрата ґрунту від обробітку HCl, %;

Р - кількість гранулометричних елементів 1-0,25 мм , %;

Х - кількість гранулометричних елементів < 0,05 мм , %.

б). Секундна проба (%) > хвилинна проба (%) > годинна проба (%) > добова проба (%).

Якщо якась з умов не відповідає вимогам, то проводиться повторний відбір проби, яка не відповідає вимогам.

4. Процентний вміст фракцій гранулометричних елементів розраховують відніманням з процентного вмісту фракції більшого розміру процентного вмісту фракції меншого розміру, результати розрахунків записують в табл. 6. Наприклад процентний вміст фракції 0,01-0,005 мм визначають як різницю процентного вмісту фракцій  0,01 мм та  0,005 мм, тобто від “хвилинної” проби віднімають “годинну” пробу.

Вміст фракції  0,001 мм розраховують як суму добової проби та втрати ґрунту від обробки HCl.

Вміст фракції 0,25-0,05 мм одержують як різницю між 100% та сумою процентного вмісту фракцій: 1-0,25; 0,05-0,01; 0,01-0,005; 0,005-0,001 та 0,001 мм.

Вміст “фізичної” глини (сума частинок  0,01 мм) одержують додаючи процентний вміст фракцій 0,01-0,005 мм, 0,005-0,001 мм та  0,001 мм.

Сума фракцій 1-0,25; 0,25-0,05; 0,05-0,01; 0,01-0,005; 0,005-0,001 та  0,001 мм повинна складати 100%.