[发明专利]测量土壤颗粒密度的体积置换方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及土壤学领域，具体涉及一种测量土壤颗粒密度的体积置换方法及设备。

背景技术

土壤中固体颗粒对土中热量、水分、化学物质的保持、运移都有显著的影响。土壤颗粒密度，又称土壤比重，即单位体积土壤（不含孔隙）的烘干质量，其大小与土壤的矿物结构以及其化学组成有关，是土的基本物理性指标之一，也是计算孔隙比和评价土类等的主要指标，土壤颗粒密度的测定是土工常规物理试验的重要项目。

目前，测量土壤颗粒密度主要有比重瓶法、浮称法、虹吸筒法等。比重瓶法作为国内外使用较多的一种实验室测量的常规方法，虽然测量精度较高，但仅限于测量粒径小于5mm的土样，并且其测量操作过程较繁琐，在试验开始前要对仪器设备进行校准，且比重瓶需定期进行抽样校正，除此之外，该方法对试验的温度条件要求较高，测量误差因素多，重复性差。而浮称法、虹吸筒法等其他测量方法也有测量操作过程比较复杂、测量范围有局限性等缺点。

发明内容

为了克服长期以来测量土壤颗粒密度的比重瓶法、浮称法、虹吸筒法等存在的操作复杂、测量范围有局限性等问题，本发明旨在提供一种测量土壤颗粒密度的体积置换方法及设备。

本发明测量土壤颗粒密度的体积置换方法的原理如下：

土壤颗粒密度=土壤颗粒质量÷土壤颗粒体积

本发明通过体积置换的方式，以注水体积换算出土壤颗粒体积，烘干称量出土壤颗粒质量，就可计算土壤颗粒密度。可以通过湿土法或者干土法测定：

（1）湿土法

湿润土壤是由土壤颗粒、水和气体组成的三相混合体，湿润土壤的体积为土壤颗粒、水和气体三者的体积之和，但由于空气所占的质量很小，在测量计算中可以忽略不计，所以待测土样质量主要由土壤颗粒质量和待测土样含水质量确定，即待测土样质量≈土壤颗粒质量+待测土样含水质量。

待测土样装入恒容容器后，称重计算出待测土样质量。向装有待测土样的恒容容器中注满水，注水的过程是将恒容容器和待测土样中充气孔隙中的气体以水置换出来，称重即可计算出湿土法注水体积。烘干待测土样，得到待测土样含水体积与土壤颗粒质量，恒容容器容积减去湿土法注水体积和待测土样含水体积就得到了土壤颗粒体积，最后以土壤颗粒质量和土壤颗粒体积计算土壤颗粒密度。

（2）干土法

将待测土样烘干后装入恒容容器（也可装入恒容容器后再烘干），得出土壤颗粒质量，然后向装有烘干土的恒容容器中缓慢注满水，排尽气体，使土壤颗粒与注水充满恒容容器的空间，计算得到干土法注水体积，恒容容器容积减去干土法注水体积就得到了土壤颗粒体积，最后以土壤颗粒质量和土壤颗粒体积计算土壤颗粒密度。

无论是湿土法还是干土法，由于土样装得紧密还是装得松散都仅影响土壤中充气孔隙的情况，不会影响土壤颗粒质量和土壤颗粒体积，因此取样时可以任取待测土样。

本发明提供的一种测量土壤颗粒密度的体积置换方法，具体步骤如下：

1）湿土法

将待测土样装入容积V0、质量M0的恒容容器，称重记为M1；向装有待测土样的恒容容器中注满水，称重记为M2；烘干，称重记为M3；

计算公式如下：

土壤颗粒质量=M3-M0；

待测土样含水体积=（M1-M3）÷水密度；

湿土法注水体积=（M2-M1）÷水密度；

土壤颗粒体积=V0-湿土法注水体积-待测土样含水体积；

土壤颗粒密度=土壤颗粒质量÷土壤颗粒体积；

或2）干土法

将待测土样装入容积V0、质量M0的恒容容器烘干（也可烘干后再装入恒容容器），称重记为M3；向装有烘干土的恒容容器中缓慢注满水，称重记为M4；

计算公式如下：

土壤颗粒质量=M3-M0；

干土法注水体积=（M4-M3）÷水密度；

土壤颗粒体积=V0-干土法注水体积；

土壤颗粒密度=土壤颗粒质量÷土壤颗粒体积；

所述恒容容器由一个形状规则且不易变形的容器及其上端的液面定位盖组成，在液面定位盖上设有注水口，在容器口设有溢水口；通过在容器的上端加盖液面定位盖控制容器内的容积为恒定，通过注水口向恒容容器内缓慢补充液体，溢水口用于排出超出恒容容器容积的液体。

其中，所述烘干为105℃烘干72h。

其中，所述恒容容器优选为圆柱形、长方体或多棱柱等形状。

其中，所述恒容容器的材料要求有一定斥水性且不易变形，并可以耐105℃高温。陶瓷材料或一般的金属材料如铝、不锈钢、合金等均可。