ИЗУЧЕНИЕ ТИКСОТРОПНЫХ СВОЙСТВ ПОЧВ

 

Л.П. Абрукова

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1976 г.

(редакция 2009 г.)

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение ………………………………………………………………………...3

Часть 1

1.Краткий обзор литературы по вопросу исследования………………. 4

2.Пояснение научных терминов, заимствованных из коллоидной химии и физико-химической механики…………………………………………11

3.Приборы и методы исследования……………………………………...14

4.Обзор экспериментальных данных за 1959 – 1970 гг. ..……………...16

5.Обзор экспериментальных данных за 1971–1973 гг. ………………...30

6.Заключение……………………………………………………………...55

Краткое резюме …………………………………………………………..62

Список литературы ………………………………………………………64

Часть 2

Определение тиксотропных свойств почв (методика)…………………68

Реологическая характеристика слитых чернозёмов, объекты и методы

исследования …………………………………………………………….90

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Изучение тиксотропных свойств почв в Почвенном институте им. В.В. Докучаева было начато в 1959 г. по инициативе и под руководством заведующего отделом эрозии почв академика ВАСХНИЛ доктора с.-х. наук, проф. С.С.Соболева. Который, лично наблюдая за процессами водной эрозии, впервые обнаружил и описал проявление тиксотропии во время весеннего снеготаяния.

Начальная разработка темы с 1959 по 1970 г. велась как поисковая – необходимо было ознакомиться с исследованиями смежных областей знаний (геологии, коллоидной химии и др.), где тиксотропия нашла широкое практическое применение. Нужно было приобрести и освоить необходимые приборы.

В результате проведенных поисковых исследований была разработана методика определения тиксотропных свойств почв (приложение 1).

С 1971 г. детальное изучение тиксотропных свойств почв было включено в план института, которым предусматривалось также выявление их значимости в эрозионных процессах.

С 1974 г. по 1983 г. изучение тиксотропных свойств почв продолжалось в отделе генезиса и мелиорации орошаемых почв (зав. отделом доктор с.-х. наук Н.Г. Минашина) по более углубленной программе исследований.

Тематическая направленность мелиоративных исследований требует выявления деформационного поведения почв при орошении. В связи с чем исследования получили более широкое толкование, а именно: изучить реологические свойства почв сухостепной зоны.

Такое название больше соответствует целям и задачам исследования, т.к. реологические исследования почв в отличие от других широко применяемых методов позволяют вскрыть внутреннюю природу прочностных свойств почв, получить представление о преобладающих типах структурных связей, деформационном поведении почв, в том числе и о тиксотропии, структурной вязкости.

Настоящая работа состоит из двух частей.

1-я часть посвящена изложению общих теоретических вопросов, касающихся тиксотропных свойств почв и выявлению их значимости при эрозионных процессах.

Научными консультантами по этой части работы были доктор хим. наук проф. Г.И.Фукс, доктор г.-м. наук И.М.Горькова и доктор с.-х. наук проф. Н.И.Горбунов. Общее научное руководство осуществлял академик ВАСХНИЛ профессор С.С.Соболев.

2-я часть посвящена изучению реологических свойств слитых чернозёмов. Работа проводилась в тесном сотрудничестве с лабораторией физико-химии почв Почвенного института при личном участии доктора с.-х. наук проф. Н.И.Горбунова.

Научный руководитель работы – член-корр. ВАСХНИЛ доктор биол. наук проф. В.В. Егоров.

1.КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ВОПРОСУ ИССЛЕДОВАНИЯ

Тиксотропия – от греческих слов «тиксис» – встряхивание и «трепо» – изменяться – выражает изотермическое обратимое превращение гель–золь и обратно золя в гель. Впервые явление тиксотропии было обнаружено в 1908 г. Аттербергом. Детальное исследование было начато Фрейндлихом [27] в 20-х гг., ему же принадлежит и термин «тиксотропия».

В Советском Союзе изучением тиксотропии стали заниматься в 30-х гг. А.И. Рабинерсон и Г.И. Фукс [18]. Ими дана классификация типов структурообразования почвенных коллоидов на примере изучения золей гидрата окиси железа. Что касается изучения тиксотропных свойств почв, то к началу наших исследований таких данных, за исключением единственной работы С.Я.Сушко [25] не имелось.

Наблюдения за природными почвенными процессами, особенно во время весеннего снеготаяния, настоятельно требовали постановки специальных исследований.

В середине ХХ в., благодаря работам академика П.А. Ребиндера, была создана новая отрасль науки – физико-химическая механика [19,20], давшая в руки исследователя приборы и методы изучения структурно-механических, реологических свойств дисперсных систем, составной частью которых является и тиксотропия.

Применяя новейшие методы физико-химической механики, мы исходили из следующих представлений [3, 9, 11, 20].

Почва – реальное природное тело, может находиться в твердом, пластичном, и текучем состоянии. К ней вполне приложимы законы физико-химической механики. Если на почву воздействовать какой-либо силой, то в ней возникнет напряжение, которое может привести к изменению физического состояния почвы. Внутренние силы (складываются из сил сцепления и отталкивания, действующих между агрегатами, коллоидными и микроскопическими частицами) создают сопротивление действию внешних сил. Если внешние силы превысят внутренние, то в почве произойдет деформация, которая может быть обратимой и необратимой в зависимости от величины и способа деформации.

Характер развиваемых деформаций в почве будет зависеть от многих факторов, в числе которых структурное состояние почвы занимает первостепенное значение.

В почвоведении различают два типа структур: микроструктуру или структуру почвенных коллоидов в коллоидно-химическом понимании и макроструктуру или собственно почвенную (агрономическую) структуру.

В физико-химической механике под термином «структура» понимается пространственная сетка, которая для твёрдых тел характеризуется молекулярным сцеплением друг с другом атомов, ионов и молекул или коллоидных частиц. Такая структура определяет упругость и прочность твёрдых тел, может представлять собой правильную пространственную решётку как в кристаллических, т.е. истинно твёрдых телах (кристаллическую решётку), или хаотический каркас как в коагуляционных структурах – гелях, студнях.

П.А. Ребиндер по характеру структурообразования все дисперсные системы разделяет на 3 типа структур:

1. Коагуляционные структуры – характерны для глинистых и почвенных суспензий. При взаимодействии с водой коллоидные частицы в процессе теплового броуновского движения интенсивно соударяются друг с другом и с более крупными частицами, образуя контакты в местах менее гидратированных (по углам и ребрам), где наиболее интенсивно проявляются силы Ван-дер-Ваальса. Наличие тонких прослоек жидкой среды в участках коагуляционного сцепления, препятствующих дальнейшему сближению частиц (из-за возникновения двойного электрического слоя), придает коагуляционному структурообразованию характерные механические свойства: невысокую прочность, ползучесть, структурную вязкость, а в более концентрированных дисперсных системах (пастах) – пластичность.

Коагуляционные структуры обладают тиксотропными свойствами, то есть способностью после механического разрушения полностью в течение времени восстанавливать свою первоначальную прочность.

2. Конденсационные структуры – характеризуются прочным межчастичным сцеплением, т.к. их формирование связано с удалением воды из коагуляционных структур путём естественного или искусственного высушивания (например, призмовидно-ореховатая структура солонцов в сухом состоянии обладает очень прочной конденсационной структурой). При осаждении органического вещества на минеральную часть почвы происходит формирование цементационно-конденсационных структур очень высокой прочности.

Конденсационные структуры теряют тиксотропные свойства и пластичность, приобретают прочность и хрупкость. Конденсационная структура при увлажнении может быть обратно переведена в коагуляционную при условии полного механического разрушения всех контактных связей между частичками.

3. Кристаллизационные структуры обладают самыми прочными механическими связями, которые осуществляются главными химическими валентностями (ковалентными). В отличие от коагуляционных и конденсационных структур кристаллизационные структуры всегда связаны с возникновением новой кристаллической фазы с очень прочными контактами частиц новообразований (например, кристаллизация гипса, карбонатов, гидрогелей кремнекислоты, возникновение органо-минеральных комплексов в почвах, полимеризующиеся высокомолекулярные органические соединения).

Кристаллизационные структуры отличаются значительно большей прочностью и хрупкостью по сравнению с конденсационными структурами, обнаруживают необратимое разрушение структур при механическом воздействии.

В табл. 1 наряду с классификацией П.А. Ребиндера приведены классификации И.М. Горьковой [12, 13] и Г.И. Фукса [18, 29, 31], которые развивают основные положения Ребиндера и дают более детальную классификацию тех объектов, с которыми авторы имели дело.

Таблица 1. Типы структур в дисперсных системах (ниже приведён оригинал таблицы)

По Ребиндеру П.А. (1948, 1956, 1966)	По Фуксу Г.И. (1933, 1948, 1951)	По Горьковой И.М. (1965, 1966)
1.Коагуляционные	Тиксолабильные	А. Стабилизационные
	Тиксотропные	Б. Коагуляционные
	Тиксостабильные
2.Конденсационные		В.Пластифицированно-коагуляционные Г. Смешанные коагуляционно- конденсационные (кристаллизационные)
3.Кристаллизационные
[4. Несвязные ]	Дилатансия	Д. Дилатантные системы

 

F

 

 

 

 

 

f₁

 

3

f₂

f₃

t₁ t₂ t₃ t

Рис. 1. Типы реологических кривых: 1– тиксостабильность, 2 – тиксотропность, 3 – тиксолабильность, 4 – реопексия. F – показатель сопротивления деформации, t – время действия деформации (t₁ – время начала действия деформации, f₁– начальное сопротивление деформации максимального разрушения тиксолабильной структуры, t₂ и f₂ – показатели максимального разрушения тиксотропной структуры, t₃ и f₃ – показатели наименьшего сопротивления деформации тиксолабильной структуры).

Классификация Г.И. Фукса является связующим мостиком между классификациями П.А. Ребиндера и И.М. Горьковой и наиболее отвечает требованиям при выделении типов структурообразования в почвенных суспензиях [1,2].

Почвенные коллоиды в своём развитии проходят ряд ступеней структурообразования и при их старении могут формироваться структуры различной прочности.

В основу классификации Г.И. Фукса положено деформационное поведение дисперсных систем – характер восстановления сопротивления деформации.

Дисперсные системы, которые при механическом воздействии разрушаются почти необратимо или скорость восстановления сопротивления деформации слишком мала, получили название тиксолабильных систем. Эти системы близки стабилизационным структурам, выделенным И.М. Горьковой: они также обладают слабой обратимостью.

Тиксотропные системы полностью восстанавливают сопротивление деформации на любой стадии разрушения структуры и соответствуют определениям коагуляционных структур по Ребиндеру и Горьковой, у которых понятие тиксотропность звучит как синоним коагуляционного структурообразования.

Тиксостабильные системы характеризуются тем, что на них деформация не оказывает влияния (верней, скорость восстановления разрушенной структуры настолько велика, что практически не сказывается на результатах измерения).

Тиксостабильные системы по свойствам близки смешанным коагуляционно- конденсационным структурам И.М. Горьковой, а также конденсационным и кристаллизационным структурам П.А. Ребиндера.

Представленные системы могут быть описаны в виде реологических кривых (изображенных на рис.1), где на оси ординат отложен показатель сопротивления деформации F (изменение предельного напряжения сдвига, вязкости и т. п.), а по оси абсцисс – время действия деформации t.

2.ПОЯСНЕНИЕ НАУЧНЫХ ТЕРМИНОВ, ЗАИМСТВОВАННЫХ ИЗ КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ

Реология – наука о деформациях и течении реальных твердых тел, жидкообразных растворов и дисперсных систем. Реология изучает изменение сопротивления деформации (а, следовательно, состояния или структуры) от величины напряжения и скорости нагружения, а иногда также времени действия напряжения. Важную роль в реологических исследованиях играет изучение релаксационных процессов – восстановление сопротивления деформации после снятия напряжения.

Релаксация – процесс убывания (рассасывания) напряжений во времени. Период релаксации по Максвеллу q – это промежуток времени, в течение которого начальное напряжение при постоянстве деформации уменьшается в определённое число (l = 2, 72) раз.

q = h ⁄ E,

где q – время релаксации, h – вязкость, E – модуль сдвига.

Модуль сдвига E – характеризуется отношением напряжения P к вызванной им относительной деформации e:

E = P⁄ e или tga.

Вязкостью, h – или внутренним трением называется свойство, проявляющееся в сопротивлении, оказываемом жидкостью перемещению её частиц под влиянием действующих на них сил.

Динамической вязкостью или коэффициентом внутреннего трения называется сила сопротивления двух слоёв жидкости площадью в 1 см², находящихся на расстоянии друг от друга 1 см и перемещающихся друг относительно друга со скоростью 1см⁄с. Единицей динамической вязкости является пуаз, измеряемый в г⁄ (см·с). В международной системе СИ измерение вязкости выражается в ньютонах: 1 пуаз = 0,1 н·с⁄ м².

Вязкость обычных жидкостей h постоянная и определяется согласно закона Ньютона величиной отношения напряжения P к вызванной им скорости относительного сдвига e': h = P⁄e' = tga.

Рис. 3. Зависимость ньютоновской вязкости от напряжения сдвига.

Структурная вязкость – проявляется в коллоидных растворах и различных дисперсных системах, обладающих структурой. Трение здесь происходит не только между частицами жидкости, но и между дисперсными частицами, а также между коллоидными, дисперсными частицами и жидкостью. Коллоидальные растворы, подобно твёрдым телам, обладают упругостью, модулем сдвига. Чтобы такой раствор начал течь, нужно приложить усилие P, которое преодолеет его упругость. Истинный раствор сдвигается с места от самой незначительной силы (рис. 3).

Течение структурированного раствора происходит согласно кривой, изображённой на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость структурной вязкости от напряжения сдвига (пояснения в тексте).

Для преодоления упругости раствора необходимо затратить определённую силу P, называемую статическим напряжением сдвига (это наименьшая сила, которую нужно приложить к телу, находящемуся в покое и имеющему поверхность 1 см², чтобы сдвинуть его с места). В точке Pк₁ коллоидный раствор, под действием приложенной силы P, отрывается от частичек, непосредственно соприкасающихся со стенками измерительного прибора. Но в толще самого раствора структура остается неразрушенной, и течение происходит очень медленно с предельно большой постоянной вязкостью h₀. Такое течение называется ползучестью. При ползучести коагуляционная структура разрушается, но успевает вновь восстановиться [19, 20]. При увеличении скорости деформации разрушение структуры в стационарном потоке резко возрастает и, когда оно становится предельно полным, вязкость h снижается до наименьшего значения h_m, оставаясь дальше постоянной, то есть, вновь независимой от напряжения сдвига. Вязкости h₀ и h_m – показатели структурной (эффективной) вязкости.

Твёрдообразные тела, к которым относится и почва, характеризуются наличием пространственной сетки, которая тем больше выражена, чем больше разность между наибольшей вязкостью (практически неразрушенной структуры) и наименьшей вязкостью предельно разрушенной структуры и чем выше предел текучести, характеризующий прочность структуры (P_m). Таким твёрдообразным телам присуще свойство пластичности [12, 13, 19].

Пластичность. Под пластичностью почвы понимается способность почвы под воздействием внешней силы изменять форму (деформироваться) без разрыва сплошности и сохранять приданную ей форму после того, как действие внешней силы устранено. Почвы проявляют пластичность при определённом содержании связанной воды, позволяющем частицам передвигаться относительно друг друга без разрыва сплошности. Идеальным примером таких пластичных свойств является глинистое тесто [12, 13].

Пластичность по Воларовичу определяется двумя параметрами: y =q ⁄h*, где h* – пластическая вязкость, q – предельное напряжение сдвига, выше которого начинается пластический поток и деформация при неизменном напряжении увеличивается с постоянной скоростью. Предполагается, что при напряжениях, меньших q, тело испытывает только упругие деформации. Явления пластичности дисперсных систем тесно связаны с аномалиями вязкости, обусловленными тиксотропией.

3.ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Измерения тиксотропии мы проводили с помощью прибора отечественного производства СНС-2 (изготовлялся заводом Москип) и ротационного вискозиметра Воларовича РВ-8 (изготовлялся механическими мастерскими института электронного машиностроения).

Прибор СНС-2 предназначен для измерения предельного напряжения сдвига в глинистых и других дисперсных системах, обладающих структурообразованием. С помощью этого прибора мы определяли кинетику тиксотропного структурообразования в почвенных суспензиях различных концентраций [1, 2]. Экспериментальные данные наносятся на график и по характеру кривых (рис. 1) можно судить о типе структурных связей, преобладающих в данной почвенной суспензии.

Прибор РВ-8 мы использовали для определения вязкости и предельного напряжения сдвига в почвенных суспензиях высоких концентраций типа паст [3]. Для получения сравнимых данных необходимо измерения проводить при строгом соблюдении методики исследования. В качестве объективного критерия нами было взято одинаковое физическое состояние почв – два предела влажности: W_н – состояние максимального набухания почвы в приборе ПНГ и W_f – нижняя граница текучести, определяемая по Аттербергу.

Экспериментальные данные изображаются графически в виде реологических кривых (зависимость скорости деформации от напряжения сдвига) и зависимости эффективной (структурной) вязкости h от напряжения сдвига.

Идеальная кривая вязкости изображена на рис. 4, а на рис. 5 представлена идеальная реологическая кривая, получаемая на приборе РВ-8 при нагружении системы (сплошная линия) и при разгрузке (пунктирная линия) для идеальной тиксотропной системы [7, 9, 13, 31]. Обозначения на реологической кривой: P_к1 – условный предел текучести, называемый пределом Шведова (по имени русского физика, открывшего аномалию вязкости в 1889 г.); P_к2 – динамический предел текучести, или предел Бингама (по имени американского учёного, обнаружившего в 1916 г. второй предел текучести), выше которого течение происходит с постоянной пластической бингамовской вязкостью h_m*; h₀* – постоянная пластическая вязкость, называемая Шведовской, сохраняется в интервале напряжений P_к1–P_к2 (рис. 4). При напряжениях выше P_к2 вязкость быстро падает в результате лавинного разрушения структуры.

Выше P_к2 – течение происходит практически при нарушенной структуре. P_m – напряжение сдвига, характеризует предел пластично-вязкого разрушения структуры, при котором достигается постоянство эффективной (структурной) вязкости.

Рис. 5.Зависимость скорости деформации от напряжения сдвига. Пояснения в тексте.

Шведовская пластическая

ЗPP

вязкость h₀* вычисляется по уравнению Шведова P = P_к1 + h₀*(de ⁄dt), согласно которому, в отличие от эффективной вязкости h₀, вместо действующего напряжения сдвига P берётся его избыток над пределом текучести P_к1, то есть h₀* = (P – P_к1) ⁄ (de⁄ dt).

Соответственно, бингамовская пластическая вязкость вычисляется по уравнению h_m* = (P – P_к2) ⁄ (de ⁄dt). В этих уравнениях: P – действующее напряжение, P_к1 – предел Шведова, P_к2 – предел Бингама, de ⁄ dt – скорость деформации (e – относительная деформация, t – время).

Ротационный вискозиметр Воларовича, как указывает И.М. Горькова [12, 13], является наиболее чувствительным из всех существующих отечественных приборов.

Характер реологических кривых, получаемых с этим прибором, позволяет судить о принадлежности испытуемого образца к той или иной классификационной группе, выделяемых по типу структурообразования. Кроме того, этот прибор незаменим при определении тиксотропии, которая фиксируется петлёй гистерезиса при снятии напряжения.

 

4.ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ЗА 1959–1970ГГ.

Этот период исследований характеризуется в основном выбором приборов, их освоением и отработкой методики исследования.

Экспериментальный материал, полученный за период до 1971 г. мы дадим в обобщённом виде и не будем касаться отдельных частных вопросов, которые изложены в ежегодных научных отчётах, а также опубликованы в ряде научных статей [1–9, 31].

Из теоретических представлений, изложенных в гл.1, тиксотропия есть одно из основных свойств коагуляционных структур.

От прочностных свойств коагуляционных структур будет зависеть текучесть почвы, её податливость к эрозионным процессам: чем прочнее структурные связи, тем более устойчивой будет почва в эрозионном отношении. Поэтому наши исследования были направлены, прежде всего, на выявление типов структурных связей, преобладающих в почве.

Методами физико-химической механики, описанными в гл. 3, была изучена кинетика тиксотропного структурообразования, как в почвенных суспензиях [1, 2], так и в пастах [3–9, 31].

Изучение структурообразования в почвенных суспензиях позволяет выявить, во-первых, начальную концентрацию, при которой происходит процесс схватывания почвенных частичек – начало формирования коагуляционной структуры, и, во-вторых, – тип структурных связей.

В качестве иллюстрации к теории структурообразования в дисперсных системах, изложенной в гл.1, на рис. 6 мы приводим экспериментальные данные, полученные с помощью капиллярного микропластометра (рис.6а, г), рео-вискометра Хепплера (производство ГДР) – рис. 6б, СНС-2 (рис. 6в, д, е), которые отражают характер структурных связей. Так, тиксостабильному типу структурообразования соответствует вид кривых, помещенный на рис. 6 в (верхний график).

Тиксостабильные структуры Г.И. Фукса, как это следует из табл. 1, идентичны смешанным коагуляционно-конденсационным, кристаллизационным структурам И.М. Горьковой и П.А. Ребиндера. Они наиболее прочны, но при механическом воздействии разрушаются необратимо. Процесс необратимости хорошо фиксируется графиком на рис. 6 а [2]. Тиксотропный характер структурообразования представлен графиками г, д, е. На рис. 6г помещены 2 кривые: верхняя кривая получена с помощью капиллярного микропластометра [1, 2] для 29,2%-ной суспензии огланлинского бентонита; нижняя кривая для 13%-ной суспензии этого же образца, но процесс структурообразования изучали с помощью прибора СНС-2 [2]. Оба прибора фиксируют процесс коагуляционного структурообразования по тиксотропному типу. Капиллярный пластометр удобен в том отношении, что с помощью набора калиброванных капилляров можно изучать процесс структурообразования во времени, отмечая истинное время для каждого образца в отдельности. Тогда как прибором СНС-2 процесс образования структуры изучается в одной суспензии во времени нарастающим итогом. Преимущество этого прибора перед капиллярным пластометром заключается в том, что он позволяет определять структурообразование в суспензиях, приготовленных из почвы в целом и в больших объёмах.

Графическое изображение тиксолабильных структур представ­лено на рис. 6б пунктирной линией: после окончания структурообразования (что фиксируется изменением кривой) суспензия чернозёма энергично взболтана, в результате чего произошло разрушение коагуляционных связей, которые с течением времени не только не восстановили своей прежней прочности, но она даже уменьшилась.

Следует указать, что для суспензий типичного мощного чернозема является характерным очень быстрый процесс структурообразования в узком диапазоне изменения концентраций по твердой фазе [2,5]. Через 5–6 мин после приготовления суспен­зии начинается её расслоение на твёрдую и жидкую фазы. Примером сказанного является процесс структурообразования, графически изображенный на рис. 6в (нижняя кривая): в течение времени предельное напряжение сдвига падает.

Кривая роста структурной вязкости (рис. 6б) в свежепри­готовленной суспензии чернозёма объясняется возникновением межагрегатных коагуляционных связей, которые после разрушения не восстанавливаются (тиксолабильность). Тиксотропные свойства тонких фракций завуалированы прочными внутриагрегатными свя­зями конденсационно-кристаллизационных структур. Последние могут быть разрушены при механическом воздействии и увлажнении. Конденсационные структуры перейдут в коагуляционные, а кристал­лизационные разрушаются необратимо.

Изучение кинетики тиксотропного структурообразования в почвенных суспензиях не охватывает все случаи структурообра­зования в почвах, которые более сложны, однако это позволило нам подойти к сравнительной оценке тиксотропных свойств в раз­ных почвах.

 

 

По формуле, предложенной П. А. Ребиндером и Е.М.Тарасовой, K_t = (P_m – P₀)/P₀, мы вычисляли коэффициент тиксотропии K_t, где Р_m – конечная прочность структуры, а Р₀ – начальная. Было найдено[2], что коэффициент тиксотропии для одной и той же почвы не является постоянной величиной, а зависит от соотноше­ния контактов твердой и жидкой фазы: с увеличением концентрации твердой фазы K_t увеличивается до определенного предела, дости­гает максимума, после которого дальнейшее увеличение концентра­ции твердой фазы ведет к снижению тиксотропности.

Изменение коэффициента тиксотропии в зависимости от концентрации твердой фазы показано графически на рис. 7 для суспензий тёмно-серой лесной почвы. По осям ординат слева отложено значение коэффициента тиксотропности, справа – предельное напряжение сдвига; по оси абсцисс – концентрация твердой фазы в жидкой (в весовых процентах). Определения выполнены с помощью двух приборов: СНС-2 (точки отмечены круж­ками) и капиллярного микропластометра (экспериментальные точ­ки отмечены крестами).

Как следует из рассмотрения экспериментальных данных, максимум проявления тиксотропных свойств тёмно-серой лесной почвы наблюдается при соотношении твердой фазы в жидкой около 43%. В более концентрированных суспензиях происходит падение тиксотропных свойств из-за затруднения ориентации почвенных частичек. В очень разбавленных суспензиях, наоборот, схваты­вание их происходит очень слабо. Таким образом, для различных почвенных суспензий максимум проявления тиксотропности будет разным [2].

Иначе ведет себя кривая зависимости предельного напряжения сдвига от концентрации твердой фазы P_m(C): практически здесь отмечается прямая пропорциональность – чем выше концен­трация, тем больше величина предельного напряжения сдвига.

Помимо определения коэффициента тиксотропности K_t важное значение для характеристики тиксотропии имеет величина t_s – время восстановления коагуляционной структуры. В качестве примера на рис. 8 показан графический способ определения времени t_s – тиксотропного восстановления разрушенной коагу­ляционной структуры. Вертикальный пунктир на кривой рис. 8 обозначает процесс разрушения структуры, после которого в те­чение времени проводился замер прочности образовавшейся струк­туры. Время t_s каждой экспериментальной точки может быть вычислено проекцией на кривую восстановления, а с неё на ось абсцисс, где отложено время структурообразования. Так, прочность коагу­ляционной структуры, соответствующая точке 1после ее разруше­ния, восстанавливается за t_s1= 6 мин, точка 2 восстанавливает­ся за t_s2 = 9 мин. Третья и четвертая точки имеют равные значе­ния, соответствующие прочности коагуляционной структуры P_m = 33 мг/см², восстановление которой происходит за t_m = 11 мин. Как видно из представленного на рис. 8 графика, восстановление разрушенной коагуляционной структуры сопровожда­ется постепенным увеличением t_s и её прочности.

Работами многих исследователей [6, 9, 12, 13, 18–23, 31] доказана способность коагуляционных структур к тиксотропному упрочнению.

Фрейндлих [27] для количественной оценки тиксотропии предлагал определять t_s методом пробирок, определяя скорость застывания суспензии в пробирке. Но, как это показано в нашей работе [1] этот метод может быть применён лишь для ка­чественной характеристики, т.к. определение t_s методом пробирок чревато многими погрешностями (скорость застывания суспензии зависит от диаметра пробирок, от концентрации сус­пензии и т.д.).

Вопрос количественной оценки тиксотропных свойств дисперс­ных систем в научной литературе до сих пор не имеет однознач­ного решения. Что касается почв, то подобных исследований до наших работ не проводилось.

 

Рис. 7. Зависимость K_t и P_m от концентрации твердой фазы (C) тёмно-серой лесной почвы.

 

Рис. 8. Структурообразование в 13.4%-ной суспензии бентонита. Определено капиллярным пластометром.

Исследования тиксотропных свойств, проведенные нами в суспензиях и пастах бентонита, осолоделого солонца и тёмно-серой лесной почвы, а также типичного мощного чернозёма [1–6], дают нам основание сделать вывод о том, что количественная оценка тиксотропных свойств той или иной почвы в том смысле как принято у почвоведов ("сильнотиксотропная" или "слаботиксотропная"), не может быть охарактеризована только одним каким-либо показателем, например, величиной K_t или t_s.

Прежде всего, с нашей точки зрения, при такой оценке, как "сильно" – "слабо"-тиксотропная почва нужно учитывать диапазон изменения влажности, в интервале которого формируются коагуляционные тиксотропные структуры. А при прочих равных условиях тиксотропность с количественной точки зрения должна оцениваться численным выражением коэффициента тиксотропности K_t и скоростью тиксотропного восстановления t_s. Было бы интересным изучить зависимость между коэффициентом тиксотропности и временем тиксотропного восстановления, но из-за спе­цифики наших исследований, направленных на эрозионную тематику мы не могли уделить достаточно много времени на разработку интересных теоретических вопросов, ограничившись самыми общими представлениями о типах структурных связей в почвах, уделив главное внимание их прочностной характеристике.

С целью приближения к естественным условиям, наши усилия были направлены на разработку методики исследований тиксотропных свойств почв в более концентрированных почвенных суспензи­ях типа паст.

С помощью ротационного вискозиметра РВ-8 по методике, опи­санной в главе 3, нами были проведены измерения структурной вязкости и предельного напряжения сдвига в образцах тёмно-серой лесной почвы, чернозёма, осолоделого солонца, орошаемого содового солончака, естественной тундрово-глеевой почвы из Воркуты и некоторых других. Для получения сравнимых результатов все исследования были выполнены при строгом соблюдении методики исследования – пасты почв готовились растиранием резиновым пестиком при влажности, равной нижней границе текучести W_f; выдерживались сутки в гидроторте. Затем, после загрузки в прибор, образец выдерживался в покое в течение 30 мин, после чего производили измерения при разных нагрузках. Экспериментальные данные для основных типов почв представлены на рис. 9 и в табл. 2.

Все реологические параметры, характеризующие прочностные свойства дисперсных систем, могут быть рассчитаны по реологичес­кой кривой (de/dt)=f(Р), снятой при нагружении (на рис. 9 и на всех дальнейших она изображается сплошной линией). Представление о тиксотропных свойствах почв и любой другой дисперсной системы можно получить только на основании обратной (пунктирная линия) реологической кривой, полученной при снятии на­грузки. Обратная реологическая кривая характеризует тиксотропию по скорости восстановления сопротивления деформации.

Как указано в главе 1, для характеристики структурообразования в дисперсных системах предложено три классификации: П. А. Ребиндером, И. М. Горьковой и Г. И. Фуксом.

По классификации П. А. Ребиндера все почвы попадают в коагуляционный тип структур, по классификации И.М.Горьковой все почвы попадают в один тип смешанных коагуляционно-конденсационно- кристаллизационных структур.

Как показали наши исследования, наиболее приемлемой класси­фикацией структурообразования в почвах является классификация Г. И. Фукса, в основу которой положена скорость восстановления сопротивления деформации.

 

 

 

Рис.9.

Рис. 9. Зависимость h(P) и N(P): а – типичный мощный чернозём, W_f = 53.5%; б – осолоделый глубокостолбчатый солонец, W_f = 41.7%, в – тёмно-серая лесная почва, W_f = 36.5%; г – орошаемый содовый солончак, W_f = 62.0%.

 

Принимая за основу классификацию Г. И. Фукса, мы разработали для неё количественные показатели, определяемые методам петель гистерезиса [3–9, 31], суть которого сводится к следую­щему.

Как известно, Г. Грин и Р. Уэлтман [14] предложили оцени­вать тиксотропию методом петель гистерезиса: чем больше площадь, занимаемая петлей, тем больше выражена тиксотропность. Наша экспериментальная проверка этого положения на разных почвах показала, что увеличение петли гистерезиса действительно свиде­тельствует о разрастании коагуляционных структур, а значит и тиксотропии. Однако, как показали исследования, разрастание коагуляционных структур, фиксируемое увеличением петли гисте­резиса, имеет свой предел в отношении проявления максимума тиксотропных свойств.

Чем больше разрастается сетка коагуляционных структур, тем меньше их прочность и они все больше приближаются к тиксолабильным структурам. И, наоборот, чем меньше выражена петля гистерезиса, тем быстрее происходит восстановление сопротивления деформации, а система приближается к тиксостабильности.

Таким образом, мы видим, что изменение петли гистерезиса в обе стороны – как её уменьшение, так и её слишком большое увеличение – приводит к уменьшению тиксотропных свойств почв. В связи с чем нами было предложено относить системы к тиксостабильным в том случае, когда петля гистерезиса практически отсутствует или слишком мала (рис. 9а), т.е., скорость деформации в прямом (нагружении системы) и обратном (при раз­грузке) направлениях одинакова. Примером таких систем является типичный мощный чернозем при влажности, равной нижней границе текучести W_f. Реологические кривые, изображенные на рис. 9 а, в обоих направлениях практически совпадают. Следует указать, что изменение влажности ведет к изменению формы кривых, но об этом будет сказано ниже в специальном разделе.

Типичными реологическими кривым и, описывающими состояние тиксотропности являются петли гистерезиса, представленные на рис. 9б и в: восстановление сопротивления деформации начинает­ся только после снятия напряжения ниже P_к2 и заканчивается в основном около значений Pк₁, или чуть ниже.

Интервал напряжений, ограниченный величинами P_к1–Р_к2, мы относим к наиболее полному развитию коагуляционных тиксотропных структур. Изменение петли гистерезиса в обе стороны от P_к1 (перемещение пунктирной линии влево или вправо) свидетельству­ет об уменьшении тиксотропности.

На рис. 9г представлены реологические кривые, характеризую­щие идеальную тиксолабильность: восстановление сопротивления деформации началось только после полного снятия напряжения – ниже значений P_к1. Пунктирная линия образует большую петлю гистерезиса за пределами P_к1.

Представленные на рис. 9 разные формы петель гистерезиса отражают структурно-механическое состояние конкретных почв при одинаковом физическом состоянии – нижней границе текучести W_f :

а – типичный мощный чернозём, в деформационном отношении харак­теризуется состоянием тиксостабильности, в реологическом – обла­дает прочными коагуляционно-конденсационно-кристаллизационными связями. Отношение пределов прочности P_m (предельное напряжение сдвига, соответствующее прочности предельно разрушенных структур­ных связей) к P_к1 (условный предел текучести), характеризующее интервал напряжений в котором происходит разрушение структурных связей, самое высокое (табл. 2) – 9.5;

б – осолоделый глубокостолбчатый солонец, гор. (0-10 см), в деформационном отношении характеризуется состоянием ярко выраженной тиксотропности. Коагуляционная структура, разрушенная при деформации, восстанавливается при снятии напряжения в интервалах P_к2 –P_к1. Отношение пределов прочности P_m/P_к1= 2.7 указывает на небольшую прочность коагуляционных структур, разрушающихся в довольно узком диапазоне напряжений. Отношение бингамовского предела текучести, P_к2 к пластической вязкости h_m*, равное 1220, так же указывает на способность данного образца почвы к внезапному разжижению при деформации;

в – тёмно-серая лесная почва по характеру деформации относится к тиксотропным системам, но коагуляционные структуры обладают большой прочностью, аналогичной прочности черноземов, P_m/P_к1= 6.5. По способности к внезапному разжижению она также ближе к чернозёмам, чем к солонцам: P_к2/h_m*= 875;

г – орошаемый содовый солончак г в деформационном отношении харак­теризуется тиксолабильностью, обладает весьма непрочной коагуляционной структурой, разрушающейся почти внезапно при деформа­ции. Отношение P_m/P_к1= 1,6 самое низкое из всех вышерассмотренных. Разрушенные структуры не восстанавливаются до полного снятия напряжения.

Рассматривая реологическую характеристику основных типов почв, приведенную в табл. 2, видим, что она в целом отражает генетические особенности этих почв. Однако для прогнозирования деформационного поведения той или иной почвы с точки зрения эрозионных процессов недостаточно получить реологические кривые только при одном физическом состоянии, необходимо получить серию (семейство) кривых при различных значениях влажности.

Когда речь идет о сравнении разных почв с целью выявления типов структурообразования, тогда необходимо строгое соблюдение одинакового физического состояния изучаемых образцов почв.

 

Таблица 2. Реологическая характеристика гор. (0–10 см) разных почв

 

5. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ЗА 1971–1973 ГГ.

Получив общее представление о структурных связях, формирую­щихся в почвах разных генетических типов, изложенных в главе 4, планом работ на IX пятилетку было предусмотрено более углубленное изу­чение тиксотропных свойств почв, как в природной обстановке, так и в лаборатории. Одновременно решались и многие методические вопросы. В частности, от метода взятия почвенного образца с естественно сформировавшейся тиксотропной структурой, зависела форма реологических кривых.

Так, на рис. 10 представлены результаты эксперимента по определению тиксотропии методом петель гистерезиса прибором РВ-8 для одной и той же тёмно-серой лесной почвы из совхоза "Каширский" Московской области.

После окончания снеготаяния на одном из очень пологих склонов юго-восточной экспозиции нами были взяты два почвенных образца по двум вариантам.

Первый вариант. Для обнаружения тиксотропности мы были вынуждены, идя по полю, останавливаться и раскачиваться на ней, разрушая сформировавшуюся коагуляционную структуру, прочность которой была весьма высокой, так как выдерживала спокойно идущего человека, массой в общей сложности около 100 кг, что соответствует 2·10⁵дин/см². Только применяя раскачивание, стоя на одном месте автор настоящего отчета провалился по колено в образовав­шуюся ямку, которая была заполнена сплошной однородной густой грязью. В том месте был взят образец почвы в стеклянную банку с притертой пробкой. Влажность образца составила 37.2% при кон­центрации твердой фазы 72.6% (рис. 10 б).

Второй вариант. Образец той же почвы, взятый рядом с первым, но с не разрушенного участка. Влажность этого образца 35.2%, концентрация – 74.0% (рис. 10 а). В тот же день образцы были доставлены в лабораторию и проана­лизированы.

На рис. 10а представлены экспериментальные данные тёмно- серой лесной почвы, взятой по II варианту, т.е. без разруше­ния естественной полевой структуры. Следует, конечно, оговориться, что частичное разрушение структуры, безусловно, было при взятии образца, но не в такой степени как по варианту I. На рис. 10б графически изображены результаты эксперимен­та для образца, взятого по I варианту.

Как видим из рисунков, получены две прямо противоположные петли, отражающие различное физическое состояние почвы. Первую (рис. 10а) мы на законном основании отнесли к тиксотропии, т.к. получена идеальная для этого случая петля гистерезиса, указывающая на максимальное развитие коагуляционных структур тиксотропного характера.

Рис. 10а. Тёмно-серая лесная почва, II вариант:h(P) и N(P), W=35.2%.

 

Рис. 10б. Тёмно-серая лесная почва, I вариант: h(P) и N(Р), W = 37.2%.

Что касается второй петли (рис. 10б), то её мы никак не могли отнести к тиксотропии, т.к. скорость восстановления сопротивления деформации оказалась выше скорости разрушения.

Заимствуя для этого случая термин коллоидной химии, петлю, изображенную на рис. 10б мы условно назвали петлей реопексии. Условно потому, что нам были не ясны причины её появления, в связи с чем нам пришлось провести специальную методическую работу по изменению формы петли гистерезиса в зависимости от изменения влажности, структурного состояния и температуры почвы. Мы не будем подробно останавливаться на проведенных исследовани­ях, т.к. они описаны в работе [4], а укажем лишь основные выводы.

Изменение структурно-механического состояния почвы вызывает изменение петли гистерезиса. Для тёмно-серой лесной почвы наи­большая петля гистерезиса соответствует влажности, равной грани­це текучести (36.2%), дальнейшее увеличение влажности приводит к уменьшению петли гистерезиса и полному её исчезновению. В рео­логических кривых переход пунктирной линии (скорость восстановле­ния разрушенной структуры) слева направо свидетельствует о процессе разрушения коагуляционной тиксотропной структуры.

Прочность коагуляционной структуры в течение времени в ре­зультате старения изменяется: внутриагрегатные связи становятся более прочными – коагуляционно-конденсационного типа, сообщая системе свойства тиксостабильности, а межагрегатные связи ослаб­ляются. Последнее приводит к расслоению дисперсной системы. При деформации такой системы на реологических кривых появляется петля реопексии. (Об исследовании петли реопексии подроб­нее сказано во 2-й части отчета.)

Влажность почвы, при которой начинается расслоение системы, условно названа нами [4] порогом устойчивости тиксотропной структуры, выше которого начинается разрушение коагуляционно-тиксотропных межагрегатных связей с седиментацией крупных мик­роагрегатов и выносом мелких почвенных частиц.

Прочность коагуляционной структуры, сформировавшейся в полевых условиях, на десятичный порядок выше (2·10⁵ дин⁄см²), чем прочность приготовленной пасты (1.9·10⁴ дин⁄см²) в лаборатор­ных условиях из той же почвы [6].

Проведенный опыт, кроме всего прочего, убедил нас в надеж­ности прибора РВ-8 точно фиксировать все изменения в физическом состоянии почв. Изменение влажности почвы на доли процента уже сказывались на реологической характеристике.

Для установления корреляции в оценке противоэрозионной стойкости почв, полученной методом размывания почвенных агрегатов по Виленскому и по методу физико-химической механики, мы провели детальное изучение структурно-механических свойств типичного мощного чернозёма Стрелецкой степи.

В работе были использованы образцы чернозёма, любезно пре­доставленные и описанные Е.А.Афанасьевой, разрез № 2. Его противоэрозионная стойкость была изучена С.С.Соболевым [20]. Им установлено, что по отношению к эрозии устойчивость чернозема достигает максимума в верхних горизонтах, минимума – в почвообразующей породе.

Три образца чернозема по генетическим горизонтам: А (0–10 см), В(80–90 см) и С(150–160 см), краткая характерис­тика которых взята из работы С. С. Соболева [20] и приведена в табл. 3, были анализированы с помощью РВ-8 в широком диапазоне изменения влажности. Результаты приведены в табл. 4.

Реологические кривые в настоящем отчете мы не приводим так, как они опубликованы и подробно разобраны в работе [5].

Основной вывод по проведенным исследованиям сводится к следующему.

В горизонте (0–10 см) преобладают прочно-сцементированные микроагрегаты, которые при увлажнении и деформации проявляют дилатантные свойства, а на реологических кривых образуется петля реопексии.

Отношение пределов прочности P_m/P_к1 высокое по всему профилю, но всё же наблюдается общая тенденция к его уменьшению с увели­чением влажности. При слишком большом увеличении, например, при 116% относительной влажности отношение пределов прочности для горизонта (0–10 см) резко возрастает: P_m/P_к1 = (0.52·10⁴)/(0.035·10⁴) =14.8. Подобное явление нами было специально исследовано и установлено, что оно связано с проявлением дилатантных свойств прочносцемен­тированных агрегатов. В эрозионном отношении такое состояние для почв менее опасно, чем формирование коагуляционных тиксотропных структур, способных к лавинному разжижению и сползанию сплошной массой по склону.

Для горизонта (80–90 см) в большом диапазоне изменения влажности от 142 и до 217% отн. влажности формируются коагуляционные тиксотропные структурные связи довольно высокой прочности. Отношение пределов прочности во всем интервале формирования коагуляционных структур остается практически одинаково высоким: в пределах 5–5.5, тогда как предельное напряжение сдвига (P_m), соответствующее прочности предельно разрушенных структур, с уве­личением влажности резко падает с 1.35· 10⁵ дин⁄см² при абсо­лютной влажности 37.2% до 2.0·10⁴ дин⁄см² при 55% влажности.

Сравнение реологической характеристики двух горизонтов (0–10 см) и (60–90 см ) между собой убеждает нас в том, что в гор. В в большом интервале формируются преимущественно коагуляционные структуры тиксотропного характера. И, только по достижении влажности, больше чем вдвое превышающей наименьшую полевую влагоемкость (отн. W = 217%), происходит (расслоение) разрушение тикcотропных коагуляционных структур на твердую и жидкую фазы. На реологических кривых появляется петля реопексии.

 

Таблица 3.Краткая химическая и физическая характеристика типичного чернозёма, разр. 2, Стрелецкая степь. Данные взяты из работы С. С. Соболева [20]

Предельное напряжение сдвига P_m, при котором достигается постоянство структурной вязкости в гор. (80–90 см ) по сравнению с гор. (0–10 см) значительно выше, последнее также указывает на развитие коагуляционных тиксотропных структур упрочняющихся в процессе структурообразования, но диапазон напряжений P_m/P_к1, в котором происходит разрушение образовавшихся структур значи­тельно ниже. Это вполне закономерное явление, связанное с различи­ем форм связи: в горизонте (0–10 см) преобладают более прочные внутриагрегатные связи, а в гор. (80–90 см) они менее прочны и быстрее разрушаются.

Таблица 4.Реологическая характеристика типичного мощного чернозема, разрез 2 (Е. А. Афанасьева)

Продолжение таблицы 4.

Как уже указывалось выше, отношение P_m/P_к1 характеризует диапазон напряжений, в котором происходит разрушение структурных связей и является интегральным отражением прочностных свойств дисперсной системы. С изменением влажности, как нами будет показано во второй части отчета, происходит перераспределение структурных связей, и отношение P_m/P_к1 изменяется.

Для объективной оценки при сравнении разных почв, а также отдельных почвенных горизонтов по прочностным свойствам необхо­димо проводить реологические исследования при одинаковом физичес­ком состоянии.

При влажности нижней границы текучести (W_f) наиболее полно проявляются межагрегатные коагуляционные структурные связи. Величина отношения пределов прочности, полученная при W_f , отно­сится, главным образом, к прочности коагуляционной структуры осуществляющей связь между отдельными почвенными микроагрегатами.

Сравнивая отношения P_m/Pк₁ по генетическим горизонтам при W_f мы видим, что прочностные свойства коагуляционных структурных связей вниз по профилю изменяются (табл. 4) с 7.1 в гор. (0–10 см), 5.0 в гор. (80–90 см) до 3.5 в гор. (150–160 см).

Самый большой диапазон влажности, в интервале которого фор­мируются тиксотропные коагуляционные структуры тиксотропного характера, выявляется в гор. В (80–90 см), самый малый – в гор. А (0–10 см) и средний – в гор. С(150–160см).

В гор. С (150–160 см), благодаря наличию карбонатов, в форми­ровании коагуляционных структур больший удельный вес приходится на тиксостабильность чем на тиксотропность. Тиксотропные свойства этот горизонт проявляет только при влажности, равной границе текучести, W_f. С увеличением влажности буквально на 1% в рео­логическом отношении система проявляет тиксостабильность, а при 49%-ной влажности, что соответствует 210% отн. влажности образца к НПВ, начинает проявляться реопексия.

Общий вывод по изучению реологических свойств типичного мощ­ного чернозема, которое проводилось с целью установления корре­ляции в оценке противоэрозионной стойкости почв, сводится к сле­дующему.

Наши данные [5], полученные методом физико-химической механики и приведенные в табл. 4, и данные С. С. Соболева [20], полученные методом размывания почвенных агрегатов, полностью согласуются: противоэрозионная стойкость чернозема вниз по профилю убывает. Кроме того, полученная реологическая харак­теристика по профилю позволяет объяснить причину быстрой размываемости чернозема и прогнозировать тип эрозионных процессов, так как здесь вскрывается природа структурно-механических свойств и деформационное поведение.

Для данного чернозема характерен линейный размыв: в глубь по профилю горизонт А в целом обладает довольно прочными коагуляционно-конденсационными структурными связями, прорыв которых возможен в местах наибольшего увлажнения, а т.к. прочность коагуляционных структур вниз по профилю уменьшается, то и размыв будет осуществляться именно в сторону углубления, а не плоскостного смыва.

Наиболее полное развитие коагуляционно-тиксотропных структур значительной прочности в гор. В в момент сильного переувлажнения, как, например, во время весеннего снеготаяния, может привести к оползням. В природе наблюдается сползание по склону блюдцеобразных подушек.

Горизонт С, в котором формируются малопрочные коагуляционные структуры, будет подвергаться только линейному размыву. Оползневые явления для гор. С не характерны, они будут осу­ществляться в горизонте В.

В связи с тем, что среди почвоведов бытует мнение, что тиксотропными свойствами обладают только почвы тундровой зоны, то представляло интерес получить с них реологическую характерис­тику.

Е. М. Наумов любезно нам предоставил образцы разреза 190-Н глеево-мсрзлотно-таежной почвы из Билибино (район Чукотки), которая была запарафинирована в состоянии естественного сложения. При вскрытии это был сплошной комок серого цвета очень плотный с признаками оглеения, внутри которого были включения грубообломочного материала от мелких горошин до больших продолговатых галек (10–15 см). Влажность образца составляла 4.55%. Образец был настолько плотным, сцементированным, что не представляло никакой возможности раздробить его и только при увлажнении методом подпитывания удалось образец размягчить, отобрать круп­ные обломки, размутить в большом количестве воды с тем, чтобы отмыть гальку от тонких илистых частичек.

Вся почвенная суспензия была пропущена через сито в 1 мм. Общая концентрация пропущенной суспензии составила по твердой фазе 16.8%, влажность её была 495%.

Эта суспензия была оставлена на структурообразование, но она очень скоро расслоилась на твердую и жидкую фазы. Отделившаяся жидкость была слита, а осадок доведен до влажности границы текучести W_f = 33.3% при концентрации т. ф. 74.7% и анализирован.

Следует указать, что проводить эксперимент с помощью прибо­ра РВ-8 было необычайно трудно, т.к. наличие грубых зерен даже меньше 1 мм сильно влияло на равномерное вращение ротора, отчего на кривых (рис. 11а) получился большой разброс экспери­ментальных точек. По характеру реологических кривых и, особенно, по кривой зависимости структурной вязкости (рис. 11а) видно, что система обладает тиксотропно-дилатантными свойствами.

Для выявления деформационно-прочностных свойств коагуляци­онных структур мы выделили фракцию 0.01 мм. Провели определение при влажности нижней границы текучести W_f = 34.0% (рис.11б) и влажности, чуть превышающей границу текучести W = 37.2% (рис. 11в).

Сравнение полученных данных, приведенных в табл. 5 и на рис. 11 (б и в), указывает на превалирующее значение дилатантных свойств. Образующаяся коагуляционно-тиксотропная структура, максимальное развитие которой проявляется при влажности нижней границы текучести, обладает очень малой прочностью. Несмотря на большое отношение P_m/P_к1 = 13.2 прочность коагуляционной структуры очень низка, т.к. увеличение влажности всего на 3% резко изменяет структурно-механические свойства. Отношение пределов прочности P_m/P_к1 резко возросло с 13.2 до 40. Такое поведение дисперсной системы при увеличении влажности указыва­ет на проявление дилатантных свойств: слабая коагуляционная структура под действием силы тяжести грубодисперсных частичек разрушается, происходит расслоение дисперсной системы на твердую и жидкую фазы. Твердая фаза, оседая на дно цилиндра, увеличивает торможение ротора. Этим и объясняются высокие отношения преде­лов прочности с увеличением влажности.

Оптимальным условием для максимального развития коагуляционной структуры является влажность нижней границы текучести, при которой осуществляется наиболее тесный контакт между почвенными частицами, обуславливая достаточно прочную структуру, способную удержать во взвешенном состоянии грубые обломки пород значительной величины.

При границе текучести такие системы обладают наиболее выраженной подвижностью при механическом воздействии, отношениеPк₂/h_m* при W_f наибольшее, с увеличением влажности вследствие расслоения системы оно падает. Реологические кривые образуют небольшую петлю гистерезиса, что указывает на быстрое восста­новление сопротивления деформации, характерное для дилатантных систем.

В 1972 г. нам представилась возможность лично взять образцы естественных тиксотропных почв в районе г. Воркуты.

Лично нами было сделано несколько прикопок на пятнистой тундрово-глеевой почве, покрытой дерниной мха. Обнаружить проявление тиксотропности было очень легко: стоя на одном месте и производя колебательные движения ногами, вскоре можно почувствовать, как почва под ногами начинает вибрировать и, вероятно, можно было бы провалиться, но этому препятствует обильный корневой войлок в верхнем 5-см слое. При копании ямы от сотрясения лопатой почва начинает течь. Как правило, почва очень увлажнена, т.к. подстилает её нижележащий мерзлотный горизонт. Но в силу грубодисперсного механического состава естественная влажность таких почв невелика, в преде­лах 25–28%.

Для реологической характеристики мы взяли образцы из разрезов № 37 и № 10, заложенных, описанных и анализированных сотрудниками отдела почвоведения института биологии Коми фи­лиала АН СССР И. Б. Арчеговой,

Рис. 11 Зависимость h(P) и N(Р), глеево-мерзлотно-таежной почвы, Билибино, Чукотка: а – W_f = 33.3%; б – W_f = 34.0% (<0.01мм); в – W_f = 37.2% (<0.01).

 

Таблица 5. Реологическая характеристика тундровых почв

А. И. Цыпановой, Г. В. Русановой и др. под руководством доктора с.-х. наук И. В. Забоевой [15, 16].

Ниже приводим характеристику этих почв, заимствованную из работ института биологии Коми филиала АН СССР.

Разрез № 37. Тундровая поверхностно- глеевая почва.

Заложен на слабозаросшем пятне: по краям лишайники, ксерофитные мхи, в середине пятна тонкая водорослево-лишайниковая плёнка, из под которой видна минеральная масса.

АоАкр 0–10 см – слаборазложенный лишайниковый покров с плотно приставшими гумусированными минеральными час­тицами, легко отделяются от минеральной части профиля.

Gt 1–14 см – средний суглинок, светло-коричневый с охристыми и небольшими сизыми пятнами, крупнопористый, тиксотропный. Много тонких корней, возможно, проникающих с соседних растительных участков, влажный.

Bg 14–27 см – средний суглинок однородной коричневой окраски, мелкопористый, слаботиксотропный, есть тонкие корни. Намечена ореховатая структура. Увлажнен. Глубже (до 80 см) – тяжелый суглинок крупноореховатой структуры, очень влажный. С 80 см мерзлый слой.

 

Разрез № 10. Болотно-тундровая поверхностно-глеевая сухоторфяная.

Заложен через моховой бугорок высотой 25 см, на бугорке карликовая березка, брусника, политриховые мхи с примесью гипновых.

Ао' 0–10 см – до 2 см живая часть мхов, глубже буроватый, влажный политрихово-моховой очес.

Aо'' 10–23 см – слабо разложенная подстилка, буроватая, влажная, много корней кустарников.

Акр 23–26 см – средний суглинок коричнево-бурый, сырой, пере­плетен корнями кустарников и ризондами мхов, непрочной комковатой структуры.

Gt 26–50 см – средний суглинок пестрый по окраске, на корич­невом фоне сизо-голубоватые и охристые пятна. Сырой, морозно-слоистого сложения, тиксотропный, в верхней части еще много тонких корней. На глу­бине 50 см горизонтально идущий гумусовый затек от щели в верхней части слоя. С 34 см мерзлый (сезонное промерзание).

Bg 50–70 см – средний суглинок коричневый с охристыми пятнами, мерзлый, морозно-слоистого сложения, нечеткой ореховатой структуры, по граням комков белесая присыпка, становящаяся незаметной во влажном состоянии (при оттаивании).

ВС 70–105 см Средний суглинок буро-коричневый, ореховатой структуры с обильной белесой присыпкой по плос­костям структурных отдельностей, мерзлый, сухой, легко крошится ножом.

Характерной особенностью морфологического строения всех описанных почв является наличие гумусовых затеков. Образование их связано, по мнению авторов [15, 16], с периодически свобод­ным перемещением почвенных растворов по морозобойным трещинам, рассекающим водонепроницаемый приповерхностный тиксотропный слой. Почвы описанных микрокомплексов характеризуются сильнокислой реакцией по всему профилю (табл. 6). Деятельная часть профиля, включая горизонт Акр, не насыщена основаниями (Са, Mg). Их содер­жание резко увеличивается в подстилающем слое (гор. ВС), где степень насыщенности почвы составляет 60–85%.

В табл. 7 приведена характеристика валового состава почв, а в табл. 8 – гранулометрического.

На рис. 12 представлены реологические кривые, полученные для тундрово-глеевой почвы (раз. 37) при трёх различных состояниях: а – с естественной влажностью; б – при влажности равной границе текучести, W_f. Следует оговориться, что определить в естественно-тиксотропной почве границу текучести очень сложно, т.к. при сотрясении почва очень подвижна; в – естественная почва, подвергнута термической обработке при t = 105 ºC.

Рис. 12а демонстрирует идеальную реологическую кривую для тиксотропной системы с хорошо выраженной Шведовской вязкостью h₀*=2.6·10³ пуаз. Бингамовская вязкость h_m*= 15 пуаз, что для "идеальных" тиксотропных систем не характерно, она слишком мала. При снятии нагрузки структурная вязкость восстанавливается довольно медленно, образуя большую петлю гистерезиса.

Отношение пределов прочности P_m/P_к1= 10.0 и P_m/P_к2= 1.18 указывает на слабые коагуляционные структурные связи, что вполне согласуется с очень высокой их подвижностью при деформации P_к2/h_m*= 2600.

 

Таблица 6. Результаты общих анализов тундровых почв

Увеличение влажности до границы текучести W_f = 32.4% (воз­можно, что эта величина несколько завышена) резко увеличило от­ношение пределов прочности P_m/P_к1= 41.0.

Сравнивая реологическую характеристику тундрово-глеевой почвы из Воркуты с мерзлотно-таежной почвой Билибино с Чукотки, мы видим много общего между ними.

Несмотря на высокие пределы прочности, которые мы, при рассмотрении мерзлотно-таежной почвы, объяснили дилатантностью этих почв, прочностные свойства обеих почв слишком малы. Деформа­ция

Таблица 7. Валовый состав тундровых почв

Таблица 8. Механический состав тундровых почв, р. 37 (в % на абсолютно сухую навеску)

системы при границе текучести W_f = 32.4% начинается при напряжении в 1000 дин/cм², что соответствует практически нагруз­ке на плечах прибора по 25.0 г (в сумме 50.0 г). Увеличение нагрузки до 2000 г приводит к большой скорости деформации, последняя способствует расслоению дисперсной системы на твердую и жидкую фазы. Твердая фаза, дилатантно упрочняясь, оказывает высокое сопротивление деформации, что в результате и приводит к большим показателям отношений пределов прочности. Если же взять отношения P_m/P_к2 (т.е. тот интервал напряжений, где действует большая скорость деформации, при которой исключается дилатантное упрочнение), то они слишком малы и, пожалуй, ближе к истине в отношении прочностных свойств коагуляционных структур.

Судя по химической характеристике, представленной в табл.6 и 7, органическое вещество этих почв играет больше роль стаби­лизатора, чем коагулятора коллоидной части почв. Это предполо­жение подтверждается и данными механического анализа, приведен­ными в табл. 8 и нашими данными [9] по определению водно-пептизируемого ила: 96% от ила содержащегося в почве, относится к легкопептизируемому.

Сравнивая реологические кривые рис. 12а и 12б мы также убеждаемся в том, что с увеличением влажности коагуляционно-тиксотропная структура, естественно сформировавшаяся в полевых условиях, с увеличением влажности до границы текучести переходит в более слабую коагуляционно-тиксотропную структуру, приближаю­щуюся к тиксолабильности.

Рис. 12в демонстрирует типичную тиксолабильность.

В отношении экспериментальных данных, представленных на рис. 12в, необходимо дать следующие пояснения. Этот эксперимент выполнен нами с определенной целью: во-первых, для того чтобы несколько ослабить роль стабилизатора органических коллоидов, мы образец почвы в течение 6 ч выдержали в сушильном шкафу при t=105ºC. Во-вторых, чтобы исключить расслоение дисперсной системы в процессе эксперимента (т.к. мы заранее предполагали, что система будет дилатантной), мы, загрузив прибор, оставили его в состоянии покоя в течение недели. Через неделю был проведен эксперимент, результаты которого представ­лены на рис. 12в и в табл.5.

 

Рис. 12. Зависимость h(P) и N(P) тундрово-глеевой почвы: а – W_ест = 28.0%; б – W_f = 32.4%.

 

Рис. 12в. Зависимость h(P) и N(P) тундрово-глеевой почвы после термической обработки, W_f = 22.7%.

 

Как и следовало ожидать, термическая обработка подавила активность коллоидной части почвы, что прежде всего сказалось на уменьшении величины влажности, при которой достигается нижняя граница текучести (W_f = 22.7% вместо 32.4% для естественной почвы). В процессе длительного покоя произошло упрочнение почвы: начало деформации отмечено только при напряжении P_к1=1.24·10⁴ дин/см² вместо 1·10 ³ дин /см² для естественной почвы, не подвергавшейся термической обработке. Однако сформировавшаяся коагуляционная структура оказалась очень малой прочности, быстро разрушилась и в реологическом отношении характеризуется типичной тиксолабильностью, свойственной плыву­нам.

Дилатантные свойства этого образца почвы завуалированы органо-минеральными коллоидами, осевшими на грубодисперсные частички в процессе термической обработки. Отношение пределов прочности в обоих случаях P_m/P_к1 = 1.75 и P_m/P_к2 =1.45 малы и, по-видимому, отражают реальную прочность сформировавшихся слабых коагуляционно-тиксолабильных структур.

Подводя итог рассмотрению реологических свойств почв тундровой зоны, мы можем констатировать проявление тиксотропных свойств в естественных природных условиях, которые обусловлены постоянным наличием высокой влажности за счет вечной мерзлоты.

Однако, диапазон изменения влажности, в котором проявля­ются тиксотропные свойства, весьма ограничен, он не превышает нижней границы текучести.

Увеличение влажности даже на доли процента свыше нижней границы текучести сообщает этим почвам плывунно-дилатантные свойства. Эти почвы при наличии градиентов способны течь под собственной силой тяжести, а также образовывать бугры пучения вследствие неравномерности боковых и глубинных давлений, воз­никающих при сезонных процессах промерзания и оттаивания.

Итак, обзор работ автора, изложенный в главе 5, свидетельствует о том, что для каждого генетического типа почв характерным явля­ется формирование коагуляционных структур той или иной прочности. По прочностным свойствам изученные почвы (гори­зонт А(0–10 см)) при одинаковом физическом состоянии (нижней границе текучести W_f) располагаются в следующий убывающий ряд: типичный мощный чернозем >темно-серая лесная почва > дерново-подзолистая ³глубокостолбчатый осолоделый солонец тундрово-глеевая ³содовый солончак.

В прямой зависимости от прочностных свойств коагуляционных структур находятся и деформационные свойства этих почв.

 

 

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рекомендации противоэрозионных мероприятий будут эффек­тивными в том случае, если они построены с учетом всех факто­ров, влияющих на противоэрозионную стойкость почв.

Помимо водно-теплового режима противоэрозионная стойкость почвы при прочих равных условиях зависит и от свойств самой почвы: её способности сопротивляться воздействующей на неё разрушающей силы (воды или ветра), поэтому очень важно прово­дить комплексные исследования как факторов, воздействующих на почву, так и свойств самой почвы.

Наши исследования, как уже ранее указано, были направлены на изучение одного из свойств почв – тиксотропии, проявляемой в природной обстановке во время весеннего снеготаяния. Процесс формирования коагуляционной-тиксотропной структуры нам пред­ставляется следующим образом,

В зимний период отрицательные температуры создают неравно­мерное распределение влаги в почве: за счет передвижения влаги к фронту промерзания происходит дегидратация почвенных частиц, в результате чего коагуляционные структуры переходят в прочные конденсационные. В весенний период во время снеготаяния при наступлении положительных температур, когда верхний почвенный слой полностью оттаял, почва сильно переувлажняется: почвенные частички (коллоидальные) под влиянием броуновского движения, а также ван-дер-ваальсовых сил занимают особое изометричное расположение, образуя своеобразную сетчатую структуру, внутри которой могут дополнительно задерживаться молекулы воды – «пересекающиеся сольватные слои». Почвенные агрегаты, сформировавшиеся зимой с прочной конденсационной структурой, при длительном увлажнении весной начинают постепенно размокать и распадаться на ряд более мелких агрегатов, что приводит к увеличению числа контактов и упрочнению коагуляционных межагрегатных связей. Внутриагрегатные конденсационные связи постепенно начинают ослабевать и все больше и больше переходить в коагуляционные структуры. Внешне почва имеет творожисто-зернистый вид, в ячейках структуры её удерживается огромное количество свободной воды. Но, в конце концов, наступает такой момент, когда до предела разросшиеся коагуляционные структуры не в состоянии противо­стоять силе тяжести и начинают стекать по склону всей почвен­ной массой. Или, наоборот, коагуляционная структура под дейст­вием напора всё увеличивающейся свободной воды прорывается в одном каком-либо месте, образуя линейный размыв.

Деформационное поведение почвы – её податливость к эро­зионным процессам – будет зависеть, прежде всего, от типа струк­турных связей и их прочностной характеристики.

Почвы, реологическая характеристика которых представлена на рис. 9 и в табл. 2, были изучены в широком диапазоне изме­нения влажности.

На рис. 13 графически представлено изменение прочностных свойств почв по генетическим горизонтам в зависимости от изме­нения влажности. Для примера разберем рис. 13а – типичный мощный чернозем гор. 0–10 см изучен в диапазоне изменения влажности от 38 до 80%. По оси ординат отложено Р_m – предельное напряжение сдвига, которое характеризует предельную прочность данной системы. По оси абсцисс – влажность в процентах на сухую навеску. Изменение P_m = f (W) для чернозема в горизонте А(0–10 см) идет по кривой, которую условно можно разбить на несколько участков или зон. Так, например, до влажности 48% (величина НВ) изменение Р_m незначительное, и при графическом изображении кривая идет почти параллельно оси абсцисс. Дальней­шее увеличение влажности сопровождается более заметным наклоном кривой в сторону оси абсцисс, а по достижении влажности 52.8% (граница текучести, W_f) – кривая резко падает – почти перпендику­лярно к оси абсцисс. Дальнейшее увеличение влажности практически не влияет на изменение предела прочности, т.к. система пол­ностью разрушена и течёт при любом напряжении сдвига, кривая вновь почти параллельна оси абсцисс.

Следует указать, что для оценки почв с точки зрения противоэрозионной устойчивости имеет значение не столько величина предельного напряжения сдвига, сколько его перепад с изменением влажности. Там, где перепад предельного напряжения сдвига с уве­личением влажности будет резким, там и податливость почвы к эрозионным процессам будет выражена сильнее.

По характеру перепада предельного напряжения сдвига с изме­нением влажности кривую Pm = f(W) изображённую на рис. 13а мы разбили на четыре зоны (участка):

I зона – характеризует участок кривой, где изменение влажности почвы в пределах от 5 до 10 % не оказывает существенного значения на перепад предельного напряжения сдвига. В эрозионном отношении эту зону мы относим к устойчивому состоянию почвы.

II зона – характеризуется значительным перепадом предельного напряжения сдвига с изменением влажности в пределах 2–3 %. Эту зону мы относим к слабоустойчивому состоянию почвы.

III зона – выделяется нами как опасноустойчивая или потен­циально неустойчивая, т.к. с изменением влажности на доли процента обнаруживается резкий перепад предельного напряжения сдвига.

IV зона – совершенно неустойчивая. Изменение влажности даже в больших интервалах почти не сказывается на перепаде предельного напряжения сдвига, т.к. почва находится в состоянии текучести.

Проведенные исследования показали, что интервалы влажности, в которых проявляется, так или иначе зона противоэрозионной устойчивости зависит от типа структурных связей, их прочностной характеристики.

Для коагуляционных структур тиксостабильного характера (рис. 9 а) типичны кривые P_m = f(W) типа рис. 13а. Для коагуляционно-тиксотропных структур (рис. 9в) из­менение предела прочности с увеличением влажности происходит по типу рис. 13б: здесь очень небольшой интервал влажности, где сохраняется устойчивое состояние и значительно возрастает интервал влажности, где почва находится в потенциально неу­стойчивом состоянии (III зона).

И, наконец, для третьего типа выделенных нами коагуляционно-тиксолабильных структур (рис. 1,3) характерным явля­ется состояние третьей зоны. То есть система в очень большом интервале влажности потенциально неустойчива, изменение предела прочности происходит по типу кривой 13в. Исследован­ный нами образец содового солончака в диапазоне влажности от

Рис. 13. Зависимость P_m(W). Типичный чернозем: а – гор. А (0–10 см), а' – гор. В (80–90 см), а'' – гор. С (150–160 см). Темно-серая лесная почва: б – гор. А (0–10см), б' – гор. В (80–90 см), б'' – гор. С (170–180 см). Орошаемый содовый солончак – в – гор. А (0–10см). Na-гумбрин – в'.

 

5 до 117 % характеризуется развитием коагуляционных структур слабой прочности. Последнее объясняется наличием в минералогическом составе большой примеси монтмориллонита. На рис. 13в' представлены данные для монтмориллонитовой глины гумбрин, насыщенной катионами натрия. Эта глина в большом интервале изменения влажности (от 5 до 1400 %) способна образовывать коагуляционные структуры смешанного тиксотропно-тиксолабильного характера.

Чем больше влажность, тем большая доля тиксолабильных структур образуется в системе по сравнению с предыдущей, где влажность была меньше. Такие системы в эрозионном отношении чрезвычайно коварны. В связи с тем, что они способны удержи­вать большое количество влаги, в природной обстановке на них практически отсутствует сток, т.к. вся влага, поступающая в почву, удерживается в ней за счет разрастания коагуляционной структуры, прочность которой соответственно падает и может наступить такой момент, когда почва при наличии градиентов потечет в виде сплошной структурированной (грязевой) массы. В эрозионной практике такие примеры встречаются довольно часто – при отсутствии жидкого стока наблюдается значительный твер­дый сток.

Изменение прочностных свойств чернозема в зависимости от изменения влажности по генетическому профилю представлено на рис. 13: для горизонта А(0–10 см) кривой а, для горизонта В(80–90 см) – кривой а'; для горизонта С (150–160 см) – кривой а''.

Для темно-серой лесной почвы соответственно кривыми б, б' и б''.

Сравнивая кривые P_m = f(W) для трех изученных почв можно сделать совершенно определенные выводы в отношении их противоэрозионной стойкости и прогнозирования эрозионных процессов. А именно: для систем, имеющих реологическую харак­теристику типа рис. 9а и 13а свойственен линейный размыв, а для систем типа рис. 9б, в и 13б преимущественно плоско­стной смыв почв с незначительным линейным размывом. Что касает­ся систем типа рис. 9г и 13в то, как уже раньше было ска­зано, для них свойственно развитие коагуляционно-тиксолабильных структур в большом диапазоне изменения влажности и такие системы могут служить причиной зарождения структурированных селевых потоков.

Наблюдение эрозионных процессов в природной обстановке [24, 26] дает основание сделать вывод о том, что в пределах одной и той же почвенной разности смыв твердого стока сильно зависит от многих факторов. Мы остановимся на рассмотрении климатического фактора. Разбором несколько случаев весеннего снеготаяния. Почва, промерзшая с поверхности, и почва оттаяв­шая имеют одинаковый снежный покров, и снеготаяние началось одновременно. Там, где почва промерзла, сток проходит без разру­шения поверхности промерзшей почвы. Там, где почва оттаявшая – часть снеговой воды будет поступать в почву до полного влагонасыщения и даже больше – за счет образования коагуляционных структур и иммобилизации части воды в структурных ячейках, а часть воды будет стекать по склону. Поглощение воды почвой, оттаивание мерзлого горизонта и сток идут одновременно. Обычно стекает вода по склону в тех случаях, когда почва уже не в состоянии её поглотить, удержать. И вот наступает момент, когда жидкий сток незначителен, а твердый сток приобретает колоссальные размеры. Причиной этого является образование в верхнем слое почвы коагуляционных тиксотропных структур малой прочности и сползание их по склону в одном случае (оттаявшей почвы) за счет собственной силы тяжести, в дру­гом – сползание по мерзлой подушке верхнего частично оттаяв­шего слоя почвы. Описанное явление проявляется в случае друж­ного снеготаяния при круглосуточных положительных температу­рах. В случае резких температурных колебаний в течение суток твердого стока может совсем не быть, т.к. при отрицатель­ных температурах ночью коагуляционная структура в результате дегидратации переходит в более прочную – конденсационную.

При положительных температурах днем коагуляционные – тиксотропные – структуры не успевают полностью развиться. В таких случаях в дневное время наблюдаются слабые струйчатые размывы по наиболее выраженным участкам склонов с выносом тонких фракций.

При прочих равных условиях разные почвы по противоэрозионной стойкости будут характеризоваться прочностью коагуляционных структур, сформировавшихся в почве во время весеннего снеготаяния, а значит и меры борьбы с эрозией почв должны быть разными. Так, например, Г. А. Пресняковой [17] для типич­ного мощного чернозёма Курской области было рекомендовано обвалование зяби и этот прием в большинстве случаев оказывал положительное действие, задерживая смыв почвы. Этот же прием тем же автором был проверен в Московской области на дерново-подзолистых почвах. Прием ока­зался не эффективен. Причину этого легко объяснить, если сравнить реологические характеристики чернозёма и дерново-подзолистых почв. Прочность коагуляционно-конденсационных структур чернозёма почти в десять раз больше прочности дер­ново-подзолистых почв [5]. Чернозёмы, в большинстве слу­чаев, способны удерживать большое количество талой воды за счёт образования прочных межагрегатных коагуляционных тиксостабильных структур, тогда как дерново-подзолистые почвы обладают слабовыраженными коагуляционными структурными свя­зями и быстро разрушаются.

Подводя итог, в отношении изучения противоэрозионной стойкости почв и прогнозирования эрозионных процессов сле­дует отметить, что все объективно обоснованные прочностные характеристики почв можно получить только с помощью реологи­ческих исследований. Этот метод позволяет вскрыть присущие почвам структурно-механические свойства, выявить преобладающие типы структурных связей, изучить деформационное поведение в зависимости от изменения влажности, на основании чего можно заранее делать прогнозы в отношении эрозионных процессов.

КРАТКОЕ РЕЗЮМЕ

В 1-й части отчета в обобщенном виде изложены оригиналь­ные исследования автора по поисковой теме "Изучить тиксотропные свойства почв" за период 1959–1973гг. Подобных исследова­ний в области почвоведения не проводилось. Автором разработана методика определения тиксотропных свойств почв, которая получила апробацию в успешно защищенных кандидатских диссер­тациях Я. Бурибаева (Ин-т физ. химии АН УзССР), Н.И. Буравчук (Ростовский университет) и А.Г. Прудниковой (ТСХА).

Изучение кинетики тиксотропного структурообразования в почвенных суспензиях в широком диапазоне изменения влажности позволило выделить три типа коагуляционных структур: тиксолабильные, тиксотропные и тиксостабильные. Для выделенных структур установлены реологические параметры, фиксирующие переход одного типа в другой методом петель гистерезиса.

Так, оптимальное развитие тиксотропных – коагуляционных струк­тур ограничивается петлей гистерезиса в пределах напряжений P_к1–Р_к2. Изменение петли гистерезиса в обе стороны (увеличение или уменьшение) влечёт за собой уменьшение тиксотропных свойств.

Установлено, что любая почва при определенном состоянии увлажнения (для каждой почвы имеется свой предел) может проявить тиксотропные свойства.

В состоянии тиксотропного структурообразования почвы способны удерживать большое количество влаги, создавая воздуховодонепроницаемые экраны для нижележащих горизонтов.

Способность почвы во время весеннего снеготаяния к коагуляционному структурообразованию имеет и положительный момент, заключающийся в задержании талой воды.

Противоэрозионная стойкость почв обусловлена прочностью коагуляционных структур, формирующихся во время весеннего снего­таяния.

На основании экспериментальных данных по изучению тиксотропных свойств почв противоэрозионная стойкость будет увели­чиваться в ряду: дерново-подзолистая почва < тёмно-серая лесная почва <типичный мощный чернозём.

Автор считает, что оценку противоэрозионной стойкости почв следует проводить на основе объективных данных по опре­делению структурно-механических (реологических) свойств почв.

В заключение автор выражает свою глубокую благодарность руководителям работы: акад. ВАСХНИЛ проф. С.С. Соболеву за выбор тематики и личную помощь в работе; чл.-корр. ВАСХНИЛ, проф. В.В. Егорову за возможность дальнейшей разработ­ки начатых поисков; докторам наук Н.И. Горбунову, И.М. Горьковой и Г.И. Фуксу за постоянные научные консультации, просмотр экспериментальных данных и ценные советы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.    Абрукова Л.П. О тиксотропных свойствах почв// Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 1967. № 1.

2.    Абрукова Л.П. Кинетика процессов тиксотропного структурообразования в почвенных суспензиях// Почвоведение. 1970. № 3.

3.    Абрукова Л.П. Изучение тиксотропных свойств почв с помощью ротационного вискозиметра // Почвоведение. 1970. № 8.

4.    Абрукова Л.П. О характере изменения петли гистерезиса при изучении явлений тиксотропии в почвах // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 1972. № 4.

5.    Абрукова Л.П. Структурно-механические свойства типичного мощного чернозёма// Почвоведение. 1971. № 6.

6.    Абрукова Л.П. Тиксотропные свойства тёмно-серых лесных почв// Почвоведение. 1972. № 8.

7.    Абрукова Л.П., Прудникова А.Г. Реологическая характеристика дерново-подзолистых легкосуглинистых почв// Изв. ТСХА. 1975. Вып. 3.

8.    Абрукова Л.П. Определение тиксотропных свойств почв: Рукопись. 1974.

9.    Горбунов Н.И., Абрукова Л.П. Реологические свойства и минералогический состав слитых почв// Почвоведение. 1974. № 8.

10. Горбунов Н.И. Минералогия и коллоидная химия почв. М.: Наука, 1974.

11. Горбунов Н.И. Почвенные коллоиды. М.: Изд-во АН СССР, 1957.

12. Горькова И.М. Теоретические основы оценки осадочных пород в инженерно-геологических целях. М.:Наука, 1966.

13. Горькова И.М. Физико-химические исследования дисперсных осадочных пород в строительных целях. М.: Стройиздат. 1975.

14. Грин Г., Уэлтман Р. Тиксотропия. Гостоптехиздат, 1947.

15. Забоева И.В. Почвы и земельные ресурсы Коми АССР. Сыктывкар, 1974.

16. Почвенные экскурсии в Коми АССР. Сыктывкар: Изд-во Коми, 1972.

17. Преснякова Г. А. Обвалование и бороздование зяби как меры борьбы с эрозией почв и засухой // Почвоведение. 1955. № 2.

18. Рабинерсон А. И., Фукс Г. И. Структура почвенных коллоидов. Тр. ЛОВИУА, 1933. Вып. 22.

19. Ребиндер П. А. Физико-химическая механика. М.: Наука, 1958.

20. Ребиндер П. А. Структурно-механические свойства глинистых пород и современное представление физико-химии коллоидов // Тр. Совета по инж.-геол. свойствам горных пород и методам их изучения. М., Т.1.1956.

21. Реология. М.:Наука, 1962.

22. Рейнер М. Реология. М.: Наука, 1965.

23. Серб-Сербина Н.Н., Ребиндер П. А. Структурообразование в водных суспензиях бентонитовых глин // Кол. журн. 1947. № 9. Вып. 7.

24. Соболев С. С. Развитие эрозионных процессов на территории Европейской части СССР и борьба с ними. М.: Изд-во АН СССР, Т.1.1948.

25. Сушко С.Я. Химические и физические свойства солончаковых свойств и солонцов // Почвоведение. 1934. № 1.

26. Трегубов П.С. Изучение характера и интенсивности эрозионных процессов // Вестн. с.-х. науки. 1969. Вып. 2.

27. Фрейндлих Г. Тиксотропия. М., 1939.

28. Фукс Г. И. Агрегативная устойчивость и сверхмицеллярная структура // Кол. журн. 1950. Т.12. Вып. 3.

29. Фукс Г. И. Вязкость и пластичность нефтепродуктов. М.: Гостоптехиздат, 1951.

30. Фукс Г. И. Общие понятия о деформации и течении дисперсных систем // Путилова И. Н. Руководство к практическим занятиям по коллоидной химии. М.: Госхимиздат, 1952.

31.Фукс Г. И., Абрукова Л. П., Бурибаев Я. Б. Влияние поглощенных оснований на реологические свойства почвообразующих глин // Почвоведение. 1973. № 10.

 

 

 

 

 

 

 

Часть 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИКСОТРОПНЫХ СВОЙСТВ ПОЧВ

Тиксотропия в природных условиях особенно наглядно про­является в почвах тундровой зоны, а также в солонцах при оро­шении и почвах средней полосы в период весеннего снеготаяния, когда промерзший слой почвы создает водоупор для верхнего от­таявшего слоя и последний, сильно переувлажняясь, приобретает тиксотропные свойства [Соболев, 1948; Горбунов, 1951; Ливеровский, 1964].

Разжижение почвы в природной обстановке может быть обус­ловлено тремя различными факторами: тиксотропией, плывунностью и дилатансией. Определить в полевых условиях с каким типом разжижения встретился почвовед очень трудно, практически невозможно. Поэтому нередко одни почвоведы называют одно и то же явление плывунностью, другие – тиксотропностью. Разобраться в этом можно только с помощью объективных методов физико-химической механики, определяя структурно-механические и реологи­ческие свойства почв.

Наиболее простой и быстрый способ обнаружения тиксотропии почв – это метод Фрейндлиха: почвенная суспензия заливается в пробирку, энергично встряхивается, а затем оставляется в покое и замечается время, в течение которого почва затвердеет – пере­станет вытекать при переворачивании пробирки. Это грубый, сугубо качественный метод, который фиксирует только сам факт тиксотропии, но не дает представления о типах структурообразования. Изучение структурно-механических (реологических) свойств почвы позволяет вскрыть типы структурных связей и совершенно четко разграничить процессы, вызывающие разжижение почвы.

На рис. 1 схематически представлены типы реологических кривых, характеризующих различное деформационное поведение дисперсных систем.

На верхнем графике (кривые 1–4) представлена зависимость показателя сопротивления деформации F (вязкость, предел проч­ности и т.п.) системы от времени t (минуты, часы, сут и т.п.).

Если на почву действовать какой-либо силой, то в ней возникнет напряжение, которое будет распространяться по всей массе. Внутренние силы (которые складываются из сил сцепления и отталкивания, действующих между агрегатами, коллоидными и микроскопическими частицами) создают сопротивление действию внешних сил. Если внешние силы превышают внутренние, то в теле происходит деформация, которая продолжается до тех пор, пока действует напряжение [2, 13].

Сопротивление деформации в структурированных дисперсных системах (к которым относятся почвы) обычно самопроизвольно изменяется с течением времени вследствие превращения структур при старении коллоидов (синерезиса и других процессов). Поэтому по характеру изменения деформации дисперсные системы могут быть подразделены на следующие виды: 1. Механическое воздействие не оказывает влияния на сопротивление деформации, структурообразование в дисперсной системе описывается кривой 1 рис. 1 и систему называют тиксостабильной;

Однако, чаще (2) механическое воздействие (напряжение) приво­дит к снижению сопротивления деформации, которое протекает за время t₂ – t₁ (рис. 1, кривые 2 и 3). При снятии напряжения в момент t₂ сопротивление деформации может самопроизвольно восстанавливаться (кривая 2, рис. 1) или оставаться на том же уровне, на котором оно было при снятии напряжения (кривая 3, рис. 1). В случае изменения сопротивления деформации по типу кривой 2, рис. 1, систему называют тиксотропной, т.к. она в течение времени t₃ – t₂ восстанавливает свое сопротивление деформации. А во втором случае, изменение по типу кривой 3 (рис.1), систему называют тиксолабильной (восстановление со­противления деформации практически отсутствует, или оно неогра­ниченно велико).

Рис. 1. Типы реологических кривых.

Время восстановления сопротивления деформации тиксотропных систем t₃ – t₂ может служить мерой тиксотропии, которая становится физически определенной величиной, когда деформация производится при напряжении Р.

Кривая 4 рис. 1 (3) описывает дисперсные системы, у которых при деформировании и течении сопротивление сдвигу увеличивает­ся. Этот эффект в коллоидной химии получил название реопексии и связан он с образованием новых экстрамицеллярных структур. Чаще всего появление кривых реопексии указывает на незакончен­ность процесса структурообразования, но могут быть и другие причины.

Нашими исследованиями кривых типа реопексии установлено, что их появление связано с перераспределением структурных свя­зей при увлажнении и деформации тяжелых почв с прочными конденсационно-коагуляционными структурами.

Описанные типы реологических кривых 1–4 (рис. 1) могут быть получены с помощью различных приборов (СНС-2, капиллярного микропластометра и др.). С применением ротационного вискозимет­ра Воларовича РВ-8 реологические кривые 1–4 рис. 1 будут иметь вид А–Г.

Проведение эксперимента по деформированию различных почв в прямом и обратном направлениях (при увеличении и снятии нагрузки) дает различные формы реологических кривых, точно отражающих структурное состояние исследуемых систем. Разбёрем кривые А–Г рис. 1.

Кривые типа А соответствуют состоянию тиксостабильности, которое обуславливается наличием в почве в преобладающем количестве прочных коагуляционно-конденсационных (цементацион­ных) структурных связей. Изменение сопротивления деформации в прямом и обратном направлениях одинаковы: кривые совпадают (сплошная линия обозначает деформацию системы в прямом направ­лении, т.е. при увеличении нагрузки; пунктирная линия – в об­ратном, при снятии нагрузки).

Кривые типа Б характеризуют типичную тиксотропию, обуслов­ленную обратимыми коагуляционными структурами. Кривые восстанов­ления сопротивления деформации, пройденные в обратном направле­нии, образуют гистерезис.

Петля гистерезиса, образованная реологическими кривыми в прямом и обратном направлениях, является важной характеристикой тиксотропии. Грин и Уэлтман (1947) предлагают характеризовать величину тиксотропии площадью петли гистерезиса. Как показали наши исследования тиксотропных свойств почв, такое утверждение не соответствует действительности, т.к. тиксотропные свойства с изменением влажности почвы либо увеличиваются, либо уменьша­ются. На основании большого количества экспериментальных данных мы предлагаем для характеристики тиксотропии в почвах пользовать­ся изменением форм петли гистерезиса в следующих пределах: а) если система восстанавливает сопротивление деформации в пре­делах величин P_к2 – P_к1, то это характеризует оптимальное прояв­ление тиксотропии при наличии смешанных структур конденсационно- коагуляционного типа.

Изменение петли гистерезиса в обе стороны (расширение или её сужение) приводит к уменьшению тиксотропии. Если петля гисте­резиса сужается, то это свидетельствует об усилении влияния конденсационных (кристаллизационных) структур, система прибли­жается к тиксостабильности. И, наоборот, расширение петли гисте­резиса влево от P_к1 свидетельствует о разрастании коагуляционно-стабилизационных структур, ослабляется их прочность, и систе­ма из состояния тиксотропии переходит в тиксолабильность.

Кривые типа В описывают типичную тиксолабильность: обра­зуется слишком большая петля гистерезиса, система восстанавли­вается после полного снятия нагрузки.

Кривые типа Г характеризуют состояние реопексии: пунк­тирная линия идет справа от сплошной линии, что указывает на увеличение скорости восстановления сопротивления деформации.

Поскольку почва является весьма сложной гетерогенной систе­мой, то естественно, в ней могут существовать разнообразные виды структурных связей – от тиксостабильных до тиксолабильных. Выя­вить преобладающие связи можно только при изучении реологических свойств почв в широком интервале влажности: от верхней границы пластичности (W_f) которая характеризуется пастообразным состоянием, до верхней границы текучести, т.е. до состояния жидкой (текучей) суспензии. В этом интервале влажности измерения производятся с помощью прибора РВ-8 [2], а в почвенных суспензи­ях с влажностью превышающей верхнюю границу текучести удобнее всего пользоваться прибором СНС-2.

В качестве иллюстрации ниже мы опишем эти приборы (СНС-2 и РВ-8) и методику работы с ними, а также дадим примеры расчета реологических характеристик.

Для изучения кинетики тиксотропного структурообразования в почвенных суспензиях мы рекомендуем прибор для измерения стати­ческого напряжения сдвига (СНС-2), выпуска­емый Московским заводом КИП.

Прибор (рис. 2) состоит из двух соосных цилиндров – наружного и внутреннего. Внутренний цилиндр подвешен на упругой, заранее тарированной стальной нити Н к штанге Т. Наружный цилиндр С, в который наливается испытуемая суспензия, с помощью мотора М вращается со скоростью 0.2 об.⁄ мин, что соответствует линейной скорости 0.4 мм/с. При вращении внешнего цилиндра суспензия, находящаяся в нём, увлекает за собой подвешенный внутренний цилиндр Ц до тех пор пока момент закручивания нити не станет равным крутящему моменту, соответствующему прочности коагуляционной структуры испытуемой суспензии. Этот момент фиксируется стрелкой 3, прикрепленной к штанге прибора, по изменению её направления. Как только оба момента сравняются, стрелка как бы замирает, а потом происходит сдвиг назад (это кратковременное наблюдение и его нельзя пропустить, после этого "срыва" стрелка опять может ползти дальше). Показания прибора записываются по шка­ле Ш, разбитой на 360º. Угол поворота шкалы умножается на коэффициент "К", определяемый для каждой нити, обычно он дается с паспортом прибора. Время для производства измерения тиксотропных систем должно быть как можно меньше и не должно превышать 60 с, а поворот внешнего цилиндра не должен быть больше, чем на 70–80°. Если вращение цилиндра не прекращается по достижении указанных пределов, тогда нужно выключить мотор, снять внутренний цилиндр и заменить нить на более толстую. Подробное описание смены нитей дается в инструкции к прибору.

Определение тиксотропных свойств в почвенных суспензиях с помощью этого прибора производится следующим образом. При­готовленная почвенная суспензия заливается в наружный цилиндр вровень с подведенным внутренним цилиндром, стрелка прибора устанавливается в нулевое положение. Как только суспензия залита в цилиндр, пускается в ход секундомер: по истечении 1 мин включается мотор (нажатием тумблера) и наблюдают за движением подвешенного цилиндра по шкале Ш прибора. Когда стрелка 3 прибора остановится – выключить прибор, произвести отсчет по шкале в градусах, затем осторожно за трубку повернуть подвесную систему в нулевое положение. Включить секундомер и по истечении 10 мин произвести второе измерение, которое дает представление о прочности образовавшейся коагуляционной тиксотропной структуры.

Для сравнения различных почв между собой по величине тиксотропии достаточно определить две величины Q₁ и Q₁₀(статическое напряжение сдвига через одну и десять минут) и по формуле DQ = (Q₁– Q₁₀) ⁄ Q₁·100%, вычислить величину приращения статического напряжения сдвига, выраженную в про­центах.

Для определения характера структурообразования в зависи­мости от целей и задач исследования определение кинетики тиксотропного структурообразования нужно проводить во времени (через минуты, часы, сутки) до полного завершения структурообразования, кото­рое обнаруживается по достижению одинаковых отсчетов с измене­нием времени.

На рис. 3 приведены экспериментальные данные, получен­ные с помощью прибора СНС-2 для тёмно-серой лесной почвы (кривая 1) и осолоделого солонца (кривая 2). Ребиндер и Тарасова (1940) предложили определять коэффициент тиксотропии по формуле K_т = (P_m – P₀) ⁄ P₀, где P_m – конечная прочность структуры, а P₀ – начальная. Наши исследования показали, что обе формулы по оценке тиксотропных свойств почв идентичны. Последняя (K_т = (P_m – P₀) ⁄ P₀) имеет то преимущество, что дает возможность получить данные о конечной прочности структуры [1].

Для выявления типов структурных связей, преобладающих в изучаемой почвенной суспензии, необходимо после определения P_m испытуемую суспензию из цилиндра вылить в фарфоровую ступку и энергично растереть резиновым пестиком в течение 2 мин и вновь повторить измерения, строго соблюдая те же про­межутки времени. Если разрушенная структура (на рис. 3 разрушение показано вертикальным пунктирам) в течение времени восстанавливает свою прежнюю прочность, то система обладает тиксотропией, в ней преобладают коагуляционные структуры. Если после разрушения прочность структуры не восстанавливается, то система обладает тиксолабильностью.

Аналогичные исследования можно проводить и методом капиллярного пластометра – когда количество испытуемой суспензии весьма ограничено.

Метод капиллярного пластометра предназначается для определения статического напряжения сдвига в глинистых или почвенных суспензиях, приготовленных из фракции <0.001 мм. Установка капиллярного пластометра элементарно проста и может быть смонтирована в любой лаборатории (рис. 4).

 

Рис. 3. Структурообразование в почвенных суспензиях: 1 – тёмно-серой лесной почвы, С = 40.5%; 2 – осолоделого солонца, С = 56.8%.

Рис. 4. Схема капиллярного микропластометра: 1 – капилляр, 2 – трёхходовый кран, 3 – манометр, 4 – источник давления.

Капилляр 1, в который забирается почвенная суспензия, поме­щен горизонтально на уравнительный столик и соединяется рези­новой трубкой через тройник 2 с манометром 3 и давлением 4. Диаметр капилляра должен быть заранее точно определён. Для этого в сухой капилляр втягивается ртуть и замеряется длина ее столбика. Затем ртуть выливается из капилляра на часовое стекло и взвешивается. Диаметр капилляра вычисляется по формуле d = Ö[4Q/(plg)], где d – диаметр капилляра в см, Q – вес ртути в г, l –длина ртутного столбика в см, g – удельный вес ртути в г/см³.

Статическое напряжение сдвига для определения величины тиксотропии почвенной суспензии измеряется дважды: через 1 и 10 мин. После забора суспензии в капилляры спустя заданное время (1 или 10 мин) открывают соедини­тельные краны и подают давление на манометр и капилляр, одновременно ведут наблюдение за столбиком суспензии в капилляре. В момент сдвига столбика (начало разрушения структуры) соединительные краны закрываются, в манометрах замечается давление. Статическое напряжение сдвига опреде­ляется по формуле Q = Pd/(4l) в г⁄ см², где P – давление в см водн. ст., что соответствует г/см², d – диаметр капилляра в см, l – длина столбика почвенной суспензии в см. Разность между определениями Q₁₀ – Q₁ = DQ указывает на процесс структурообразования в почвенной суспензии. Отно­шение DQ к первоначальной прочности структуры Q₁ даёт величину тиксотропии. Следует указать, что для сильноструктурированных систем трудно установить инвариантную область, т.к. характер структурообразования зависит от величины диаметра капилляра. Поэтому мы рекомендуем применять капиллярный пластометр только в тех случаях, когда ведется исследова­ние суспензий малых объёмов. Опытами установлено, что наибо­лее достоверные результаты получаются при применении капил­ляров от 1.5 до 2.2 мм в диаметре.

Во всех остальных случаях изучать процессы структурооб­разования в почвенных суспензиях следует в приборе СНС-2, который вполне обеспечивает сходимость систем и достоверность экспериментальных данных.

Для определения реологических свойств почв, в том чис­ле и тиксотропии (по форме петли гистерезиса), в более кон­центрированных суспензиях типа паст незаменимым прибором является ротационный вискозиметр Воларовича РВ-8 (рис. 5).

Ротационными вискозиметрами называются приборы с двумя коаксиальными (имеющими одну общую ось) цилиндрами, в зазор между которыми помещается испытуемое вещество.

Значения динамической вязкости и предельного напряжения сдвига получаются в абсолютных единицах. Точность прибора для измерений вязкости от 5 до 10⁷ пуаз, а для предельного напряжения сдвига – от 50 до 10⁵ дин/см².

Вязкость в пуазах вычисляется по формуле h = [K₁(P – P₀)]/N, а предельное напряжение сдвига (предел текучести) дисперсных систем вычисляется в дин/см² по формуле Q = K₂(P – P₀), K₁ и K₂ – константы прибора, Р – минимальный груз, при котором начинается вращение ротора вискозиметра, когда между ротором и внешним цилиндром прибора помещается пластичная дисперсная масса (глина, почва, битум и т.п.), обладающая пределом текучести. P₀ – собственное трение под­шипников (определяется опытным путем: минимальный груз, при котором начинается холостое вращение ротора). N –

число обо­ротов ротора в секунду, измеряется по секундомеру во время определений.

Константы прибора K₁и K₂ зависят от высоты h погру­жения ротора в испытуемую массу. Поскольку высота заполнения цилиндра (h)является переменной величиной, то и значения констант прибора K₁и K₂ будут изменяться в зависимости от значений h. Для облегчения расчетов производят заранее определение констант K₁и K₂ для h от 1 до 9 см, т.е. для всех возможных вариантов наполнения цилиндра. Константы вычисляются по следующим формулам: K₁ = Rg/ {8p[hr₁²r₂²/ (r₂² –r₁²) + r₁³r₂³/ (r₂³ –r₁³)]}; K₂ = Rg/ (2pr₁²h +hr₁³/2), где R – радиус шкива прибора, на который намотана нить, r₁ – радиус ротора и полусферы, r₂ – радиус внешнего цилиндра и полусферы, h – высота части цилиндра, погруженной в пасту, см, g – ускорение силы тяжести (981 см/с²). По вычисленным величинам K₁и K₂ строится гра­фик зависимости K от h (h – глубина погружения ротора в пас­ту – определяется после окончания работы), зная опытное h по графику (рис. 6) находят K₁и K₂.

Для получения сравнимых данных необходимым условием является, чтобы экспериментальные данные для разных почв были получены при одинаковом физическом состоянии. В качестве такового можно считать условие влажности почвы, соответствующей величине нижней границы текучести по Аттербергу (Wf).

В зависимости от целей и задач исследования влажность почвы можно увеличивать или уменьшать. Но при этом нужно иметь в виду, что с уменьшением влажности почв ниже границы текучести происходит нарастание пластических свойств почв и уменьшение тиксотропных, с увеличением влажности наоборот – уменьшается пластичность и увеличивается разрастание коагуляционных – тик­сотропных структур.

Характеристика структурных связей, формирующихся в почве, наиболее отчетливо выявляется при увеличении влажности от W_f до W_н при стандартной методике определения.

В связи с тем, что реологические свойства почв в сильной степени зависят от их дисперсности (по Н.И.Горбунову любую почву путем механического растирания можно довести до стадии коллоидной фракции), то при

Рис. 6. Зависимость K₁и K₂ от h для РВ-8.

подготовке почвы к исследованию нужно обращать особое внимание на строгое соблюдение выбранной методики.

Мы рекомендуем следующую методику определения реологичес­ких свойств почв с помощью РВ-8: из образца почвы, подготов­ленного к обычным почвенным анализам, растертого и просеянного через сито в 1 мм, затворяется паста нужной концентрации (при нижней границе текучести W_f) и ставится на сутки в эксикатор, наполненный водой, для структурообразования. На следующий день из затворенной пасты осторожно (без перемятия) шпателем берется около 30–35 г пасты и помещается в цилиндр прибора, последний одевается на ротор, закрепляется и один раз раскручивается с минимальным грузом (для равномерного распределения пасты вокруг ротора). После чего прибор приво­дится в рабочее состояние, но новое раскручивание не производится – дается время (30 мин) для восстановления структуры, разрушенной в процессе загружения прибора. Через 30 мин начи­нается процесс снятия реологической кривой и определение струк­турной вязкости изучаемого образца. Для наиболее точного определения P_к1 (условного предела текучести) первоначальные нагрузки нужно брать как можно меньшие и только после того, как будет зафиксирована величина P_к1 , увеличение нагрузки должно быть значительным (не менее 50 г на каждое плечо, общий вес 100 или 200 г).

Для получения реологической характеристики почв достаточ­но провести исследования до достижения величины P_m (предель­ное напряжение сдвига, при котором система имеет минимальное постоянное значение структурной вязкости h_m). Для определения тиксотропии, выяснения типа структурных связей, преобладающих в почве, исследования системы продолжают – снимают обратную ветвь реологической кривой, которая характеризует способность почвы восстанавливать сопротивление деформации (снятие нагрузки производится в последовательности, обратной той, в какой нагружалась система).

Исследования показали [2] что почвы, далекие по гене­зису, проявляют ярко выраженное различие в реологическом пове­дении (рис. 1, кривые А–Г).

На рис. 7 графически изображены экспериментальные данные по определению структурной (эффективной) вязкости и реологических свойств степного глубокостолбчатого солонца (гор. В, глубина 30–40 см), обладающего тиксотропными свойствами. В таблице показан пример записи эксперимента и его расчет по вышеприведенным формулам.

По окончании эксперимента снимается наружный цилиндр и замеряется глубина погружения ротора в исследуемую пасту (h = 3.4 см), по величине которой из графиков на рис. 6 а, б находим значения K₁и K₂. 

Подставляя значения K₁и K₂ в соответствующие формулы, приведенные выше, получим значение эффективной вязкости и пре­дельного напряжения сдвига. По расчетным данным строим графики зависимости h = f(P) и N = f(P). На рис. 7 экспериментальные точки для удобства разбора обозначены порядковыми номерами. Точка 1 соответствует тому минимальному напряжению, при котором система обнаружила сдвиг. Эта точка на реологической кривой обозначается P_к1 и носит название условного предела текучести, или предела Шведова. Эксперимент был начат в 10 ч 50 мин с минимальной нагрузкой 50 г, но заметная деформация была отмечена только при нагрузке 1200 г. В течение 22 мин последовательно по 50 г увеличивали нагрузку и только после замера P_к1 стало возможным увеличивать по 200 г. Увеличение нагрузки приводит к постепенному разрушению структурных связей и уменьшению структурной вязкости, которая снизилась с 3.2·10⁴ пуаз до 3.6·10³ пуаз (точка 5). Участок реологической кривой N = f(Р) от точки 1 до точки 4 подчиняется уравнению Шведова, согласно которого течение струк­турированной дисперсной системы происходит с постоянной пласти­ческой вязкостью h_m0*, которая вычисляется из уравнения h_m0* = (P – P_к1)/(de/dt), где Р – действующее напряжение сдвига, P_к1 – условный предел

Рис. 7.

 

Пример записи экспериментальных данных в рабочей тетради (с первичной обработкой)

текучести, de/dt – градиент скорости деформации. При работе с прибором РВ-8 вместо de/dt берется N[об. ⁄с] и вводится коэффициент K, который находится из соотношения констант прибора K₁ ⁄ K₂.Так, для разбираемого эксперимента высота загружения цилиндра h = 3.4 см, то K₁и K₂ соответствен­но равны 0.7 и 28, а K = 0.025. Произведя математические расчеты по формуле h₀* = K(P – P_к1)/N находим наибольшую пластическую вязкость h₀* точек 2, 3, 4: 3.0·10³; 3.03·10³; 2.25·10³. Эти вычисления показывают, что в точке 4 вязкость значительно снизилась.

Область реологической кривой от точки 4 до точки 8 характеризуется заметным разрушением структуры, где пластичес­кая вязкость переменная, снижающаяся с повышением напряжения. По достижении второго предела текучести – P_к2, открытого Бингамом, – структура быстро разрушается и эффективная (структурная) вязкость резко падает. Течение системы происходит практически при нарушенной структуре с наименьшей постоянной пластической вязкостью Бингама, вычисляемой по формуле h_m* = K(P – P_к2)/N, которая отличается от уравнения Шведова тем, что из действую­щего напряжения вычитается значение P_к2 (динамический предел текучести).

В качестве примера дадим расчет наименьшей пластической вязкости h_m* для точки 9: подставляя в формулу значения, получим h_m* = [0.025·(8.1–6.8)·10⁴] ⁄ 4.4 = 74.0 пуаз, среднее из пяти определений (точки 8–12) составляет 74.5 пуаз.

Определение величин h₀* и h_m* имеет важное практи­ческое значение для характеристики почвы, т.к. отношение P_к1 ⁄ h₀* (в данном случае (3.48·10⁴) ⁄ (3.03·10³) = 11.6) характеризует её пластичность: чем это отношение больше, тем пластичнее почва, а от­ношение P_к2 ⁄h_m* = 68.4·10⁴ ⁄ 74.5 =915 характеризует способность почвы к внезапному разрушению структуры: чем больше это от­ношение, тем резче выражена способность к внезапному разжи­жению.

Отношение P_m ⁄ P_к1 = 9.7·10⁴⁄ 3.5·10⁴ = 2.76 характеризует прочность структурных связей между почвенными частичками: чем больше это отношение, том более прочными структурами характеризуется почва.

Исследования показали, что типичный мощный чернозём обладает наиболее прочными структурами (P_m ⁄ P_к1 = 9.5) и наименьшей способностью к внезапному разжижению (P_к2 ⁄ h_m* = 540) по сравнению с другими изученными почвами: тёмно-серая лесная почва P_m ⁄ P_к1 = 6.14 и P_к2 ⁄ h_m* = 870, содовый солончак P_m ⁄ P_к1 = 1.64 и P_к2 ⁄ h_m* = 990 [2].

Таким образом, применение ротационного вискозиметра Воларовича РВ-8, как это видно из только что приведенных данных, позволяет получить ряд важных прочностных характеристик почв.

Возвращаясь к рассмотрению экспериментальных данных, изображенных на рис. 7 и приведенных в таблице, следует ука­зать, что увеличение нагрузки по достижению постоянной скорос­ти деформации (10 об. ⁄ с) следует прекратить, т.к. в про­тивном случае происходит «мнимое» увеличение эффективной вязкости (точки 12 и 13). Это происходит потому, что время деформации очень мало (0.8 с) и практически зафикси­ровать время деформации меньше 0.8–0.6 с не представляется возможным. Поэтому за величину P_m (предельное напряжение сдвига, при котором достигается минимальное значение эффективно-структурной вязкости h_m) следует принимать значение точки 12. Точки 13–15 имеют одинаковую скорость деформации при увеличивающейся нагрузке, что указывает на невозможность дальнейшего проведения эксперимента. С этого момента следует (для изучения тиксотропии) проводить деформацию почвы в об­ратном порядке, т.е. постепенно уменьшать нагрузку. Как видим из приведенной таблицы, несмотря па значительное уменьшение нагрузки (точка 19), скорость деформации продолжает оставаться постоянной, а структурная вязкость h продолжает падать, что и дает при графическом изображении петлю гистерезиса (рис. 7а зависимость h = f(P), пунктирная линия).

Реологическая кривая N = f(P), изображенная на рис. 7б сплошной линией, фиксирует деформационное поведение почвы, характер разрушения её структуры, а обратная – пунктирная ветвь – реологической кривой даёт представление о способности почвы восстанавливать сопротивление деформации.

На основании теоретических представлений о характере восстановления сопротивления деформации (рис. 1), разобранная нами в качестве примера почва (степной глубокостолбчатый соло­нец), по форме петли гистерезиса может быть отнесена к тиксотропной, т.к. разрушенная структура в основном восстанавли­вается в пределах P_к2 –P_к1,хотя конечная прочность не дости­гает первоначального значения. Деформация системы заканчивает­ся при значительно меньших нагрузках (500 г/см² вместо 1200), что также является характерным для типичных тиксотропных систем.

Следует указать, что термин «тиксотропная почва» в ка­честве генетического определения употреблять не следует, т.к. любая почва при определенном сочетании дисперсности и влажности может проявлять свойство тиксотропии. С изменением влаж­ности эти свойства пропадают. Определение же тиксотропных свойств почв нужно для прогнозирования их деформационного поведения при изменении условий влажности. Например, при эро­зионных процессах или различного рода ирригационных работах.

Для сравнительной оценки противоэрозионной стойкости почв мы рекомендуем пользоваться величинами двух отношений, опреде­ляемых при W_f: P_m ⁄P_к1 (дает характеристику прочности струк­турных связей) и P_к2 ⁄ h_m* (дает представление о способности почвы к внезапному разрушению структуры и тиксотропному разжижению). Дополнительной характеристикой противоэрозионной стойкости почв может служить изучение прочностных свойств почв в зависимости от изменения влажности. Построение графиков P_m = f(W) даст возможность выявить интервалы влажности почвы, в которых проч­ностные свойства существенно изменяются.

Для правильного планирования ирригационных работ крайне важно изучить реологическую характеристику почв – выяснить направление изменения пластической (бингамовской) вязкости h_m* с увеличением влажности или при изменении солевого режима почв. Обычно, как правило, с увеличением влажности от W_f до W_н h_m* уменьшается, но как показали наши исследования, бывают особо опасные случаи, когда h_m* увеличивается.

Особое внимание следует обращать на изменение формы петли гистерезиса: если с увеличением влажности петля гистерезиса увеличивается, т.е. система из состояния тиксотропии пере­ходит в тиксолабильность, то это указывает на ухудшение физи­ческих свойств почвы.

Изучение структурно-механических (реологических) свойств почв, в том числе и тиксотропии, следует проводить на фоне общей генетической характеристики, т.к. только комплексное всесто­роннее рассмотрение всех свойств почв даст возможность правильно прогнозировать их деформационное поведение.

[Исследование реологических свойств почв на приборах СНС-2 и капиллярных пластометре не может считаться устаревшим в настоящее время. Выполнение же практических работ на ротационном вискозиметре РВ-8 не представляется целесообразным. Главная причина этого – очень высокие требования к экспериментальному мастерству исследователя. Например, простая необходимость «засекать» на секундомере время порядка 0.6–0.8 с требует длительной тренировки. При выборе современного ротационного вискозиметра для проведения реологического исследования почв следует обращать внимание на 1) величину зазора между коаксильными цилиндрами – желательно не меньше 1.5 мм, 2) возможный на приборе интервал измерения скорости деформации – желательно от 0.1 до ~200 1⁄с, или интервал напряжения сдвига – от 1 до 10⁴ Па, 3) возможность определения на приборе не менее 10 экспериментальных точек с последовательным увеличением нагрузки на систему.]

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Абрукова Л.П. Кинетика тиксотропного структурообразования в почвенных суспензиях ⁄⁄Почвоведение. 1970. №3.

2.  Абрукова Л.П. Изучение тиксотропных свойств почв с применением ротационного вискозиметра РВ-8 ⁄⁄ Почвоведение. 1970. № 8.

3.  Горбунов Н.И. Почвенные коллоиды. М.: Изд-во АН СССР, 1951.

4.  Горькова И.М. Структурные и деформационные особенности осадоч­ных пород различной степени уплотнения и литификации. М.: Наука, 1965.

5.  Горькова И.М. Теоретические основы оценки осадочных пород в инженерно-геологических целях. М.: Наука, 1966.

6.  Горькова И.М. Принципы комплексной оценки и инженерно-геологическая классификация глинистых пород. Тр. ПНИИИС Госстроя СССР. Т. ХII. М., 1971.

7.  Ливеровский Ю.А. Почвы тундр Северного края. Тр. Полярной комиссии АН СССР. Т. 19. 1934.

8.  Ребиндер П.А. Конспект общего курса коллоидной химии. М.: Изд-во МГУ, 1940.

9.  Ребиндер П.А. Физико-химическая механика – Новая область науки. М.: Знание, 1958.

10.     Ребиндер П.А. Физико-химическая механика как основа закрепления грунтов в дорожном строительстве и производстве строительных материалов на основе грунтов.

11.  Соболев С.С. Развитие эрозионных процессов на территории Евро­пейской части СССР и борьба с ними. М.: Изд-во АН СССР. Т.1. 1948.

12.  Фукс Г.И., Абрукова Л.П., Бурибаев Я.Б. Влияние поглощённых оснований на реологические свойства почвообразующих глин ⁄⁄ Почвоведение.1973. 1973. №10.

13.         Фукс Г.И. Вязкость и пластичность нефтепродуктов. Гостоптехиздат, 1951.

РЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СЛИТЫХ ЧЕРНОЗЁМОВ

1.Объекты и методы исследования

Слитые чернозёмы впервые открыл и описал в 1914 г. С.А. Яковлев при обследовании территории, отведённой под строитель­ство железнодорожной линии Армавир–Туапсе.      

В настоящее время по слитым чернозёмам имеется богатая литература [4–7, 15,21]. Но, несмотря на огромный материал по изучению слитообразования, природа слитости до сих пор не решена.

Из работы С.А. Яковлева [21] приводим описание слитого чер­нозема (с 88-й версты по линии Армавир–Туапсе). Поля пшеницы.

А 0–15 см пахотный, мелкозернистый, очень вязкий, в сы­ром состоянии пластичен. Цвет серо-чёрный, слегка си­зоватый.

А₂ 15–45 см иссиня-чёрный (как вороново крыло во влажном состоянии), зернистый.

А₃ 45–100 см серовато-чёрный, бесструктурный, разбит трещина­ми, чрезвычайно плотный и вязкий, лопата почти не бе­рет. Влажный.

В₁ 100–116 см. Резкий переход по окраске из черного в светло-бурый. Очень плотный с вертикальной трещиноватостью.

В₃=С₁ 129–146 см светло-серый, пятнистый, бесструктурный, очень плотный.

С₂ 146–200 см грязно-палевый, тяжелый, лишённый видимых пор суглинок с маленькими комочками твердой белоглазки.

Для описанного чернозёма приводятся данные механического состава, определенные по методам Сабанина и Фадеева–Вильямса.

Содержание гумуса в гор. А (0–30 см) – 4.22%, в гор. А₃ (75–80 см) – 2.86%.

Нормальные чернозёмы для этого региона содержат гумуса в гор. (0–10 см) 7.99%.

В нашей работе были использованы следующие образцы слитых чернозёмов.

В.В. Егоровым были предоставлены 3 разреза (№№ 11, 26 и 33) слитых чернозёмов Ставропольского края и один разрез (№8) смолниц Болгарии.

Э.А. Корнблюмом и И.Н. Любимовой были предоставлены образцы слитого чернозема СЧС-1 и выщелоченного, взятых в районе исследований С.А. Яковлева.

В связи с тем, что предоставленные образцы не имели никакой исходной характеристики, необходимо было получить хотя бы са­мые элементарные сведения о них.

[Таблица б ⁄н.] Механический состав чернозёма С.А. Яковлева

Аналитиком отдела эрозии почв Г.Г. Карандашовой был вы­полнен гранулометрический и микроагрегатный анализ 3 разре­зов (№№ 11, 26, 33), а лабораторией массовых анализов (зав. лаб. Е.А.Чакветадзе) в этих же образцах был определен гумус.

Данные приведены в табл. 1–3: в числителе результаты механического состава, в знаменателе – микроагрегатного. Определение мех. состава выполнено гексаметафосфатным методом. В табл. 1и 2 дополнительно включены данные Н.И.Горбунова по определению воднопептизированного ила.

Рассмотрение этих данных указывает, что наиболее агрегированным является разрез № 11 (коэффициент агрегированности горизонта (0–15 см) равен 78.5), а наименее агрегированным – чернозём, представленный разрезом 33. Разрез 26 по дан­ным анализа занимает промежуточное положение.

В соответствии с коэффициентом агрегированности находится и содержание воднопептизированного ила. Для разреза 11 самый малый К_агр обнаружен в горизонте (80–95) см и со­ответственно в нем содержится максимальное количество воднопептизированного ила (ил А). Для разреза 26 наибольшее количество воднопептизированного ила выделено из горизонта (100–120) см и этот горизонт по данным табл. 2 характеризуется наименьшей агрегированностью.

К сожалению, мы не можем провести аналогичного сравнения для разреза 33 , т.к. из-за недостатка почвы не проведено выделение воднопептизированного ила.

Для реологических исследований нами были выбраны образцы почв из двух разрезов: 11и 33. как наиболее сильно различающиеся между собой содержанием гумуса и К_агр .

В табл. 4 и рис. 1–6 представлены экспериментальные данные по определению реологических свойств слитого чернозёма, охарактеризованного разрезом 11, а в табл. 5 и рис. 7–13 – для разреза 33.

В настоящей работе, ввиду недостатка почвенных образцов была применена методика последовательных определений. А именно: навеска почвы, пропущенная через сито 1 мм, загружалась в прибор ПНГ для определения величины максимального набухания. Набухание иногда длилось до 15 сут. По окончании набухания почва осторожно переносилась в цилиндр прибора РВ-8 для снятия реологической кривой. Реологическая кривая снималась методом постепенного нагружения. По достижении P_m производилось постепенное снятие нагрузки. По окончании эксперимента почва вынималась шпателем из цилиндра в фарфоровую чашку и путем добавления небольших порций сухой почвы доводилась до состо­яния нижней границы текучести по Аттербергу. В состоянии нижней границы текучести почва ставилась в эксикатор с водой, примерно на сутки, для структурообразования. На следующий день производились измерения структурной вязкости и снятие реологических кривых.

По реологической характеристике образцы слитого чер­нозема, анализированные из разрезов 11 и 33, практически одина­ковы. Имеются незначительные различия в прочностных характеристиках, которые легко объяснимы при тщательном рассмотре­нии экспериментальных данных. Но в данный момент мы хотим за­острить внимание не столько на объяснении различий в прочностных свойствах между отдельными почвенными горизонтами, сколько на их качественное тождество в деформационном поведении.

Образцы почв из верхних гумусированных горизонтов в обоих случаях (разрезы 11 и 33) при влажности максимального набухания дают при реологическом исследовании петли реопексии.

 

Рис. 1. Зависимость h =f(P) и N = f(P) слитого чернозёма, разрез 11, гор. А (0–15см), W_f = 48.7%, C_f = 64.4 %.

Рис. 2. Зависимость h =f(P) и N =f(P) слитого чернозёма, разрез 11, гор. А (0–15 см), W_н = 53.0 %, C_н = 64.8 %.

 

Рис. 3. Зависимость h =f(P) и N =f(P) слитого чернозёма, разрез 11, гор. А (20–35см), W_f = 54.8 %, C_f = 64.0 %.

Рис. 4. Зависимость h =f(P) и N =f(P) слитого чернозёма, разрез 11, гор. А (20–35 см), W_н = 59 %, C_н = 62.8 %.

 

Рис. 5. Зависимость h =f(P) и N =f(P) слитого чернозёма, разрез 11, гор. B (80–95см), W_f = 67.5 %, C_f = 64.0 %.

Рис. 6. Зависимость h =f(P) и N =f(P) слитого чернозёма, разрез 11, гор. С (150–200см): а – W_н = 62.2 %, C_н = 61.6 %, б – W_f = 60.5 %, C_f = 62.0 %.

 

Рис. 7. Зависимость h =f(P) и N =f(P) слитого чернозёма, разрез 33, гор. А (0–20 см), W_f = 51.6 %, C_f = 66.0 %.

Рис. 8. Зависимость h =f(P) и N =f(P) слитого чернозёма, разрез 33, гор. А (0–20 см), W_н = 60.1 %, C_н = 62.3 %.

Рис. 9. Зависимость h =f(P) и N =f(P) слитого чернозёма, разрез 33 гор. АВ (20–40 см), W_f = 53.0 %, C_f = 65.3 %.

Рис. 10. Зависимость h =f(P) и N =f(P) слитого чернозёма, разрез 33, гор. АВ (20–40 см), W_н = 62 %, C_н = 61.5 %.

Рис.11. Зависимость h =f(P) и N =f(P) слитого чернозёма, разрез 33, гор. В (70–100 см), W_f = 45.4 %, C_f = 69.0 %.

Рис. 12. Зависимость h =f(P) и N =f(P) слитого чернозёма, разрез 33, гор. В (70–100 см), W_н = 47.3 %, C_н = 67.8 %.

 

Рис. 13. Зависимость h =f(P) и N =f(P) слитого чернозёма, разрез 33, гор. С (100–120 см), а: W_н = 47.3 %, C_н = 67.0%, б: W_f = 48.7 %, C_f = 67.4 %.

Выяснение причин появления петель реопексии на реологических кривых нас интересовало с самого начала их появления.

Впервые они были обнаружены нами при анализе естественно сформировавшейся коагуляционно-тиксотропной структуры в тёмно-серой лесной почве во время весеннего снеготаяния [2]. Тогда мы появление петель реопексии связывали с расслоением на твёрдую и жидкую фазы в результате механического разрушения коагуляционной структуры, сформировавшейся в полевых условиях при избыточном увлажнении.

Сейчас же такое объяснение было неприемлимым.

В связи с чем встала необходимость исследования причин появления на реологических кривых петель по форме обратных ги­стерезису. Но прежде чем приступить к их исследованию мы должны были накопить экспериментальный материал, на каких почвах и при каких условиях деформация системы протекает с ускорени­ем восстановления сопротивления деформации.

Было интересно сравнить реологические характеристики сли­тых чернозёмов Краснодарского края с другими чернозёмами, не обладающими слитостью, но находящимися в одном географическом ареале с одной стороны, а с другой – наоборот – слитые черно­зёмы Краснодарского края представляло интерес сравнить с подобными же по свойствам почвами, но расположенными в другом географическом ареале.

В качестве таковых были дополнительно анализированы выщелоченный чернозём Ново-Кубанского района Краснодарского края, описанный Э.А. Корнблюмом и И.Н. Любимовой (реологическая ха­рактеристика которого представлена образцом с глубины (30–60)см на рис. 14 и 15), и образец слитого чернозёма, глубина (60–70) см, из этого же района, тех же авторов (представлен на рис. 16 и 17).

 

На рис. 18–20 представлены реологические кривые для слитых чернозёмов Болгарии, называемых смолницами.

Как следует из представленных графиков на рис. 1–20 для всех анализированных образцов почв при влажности максималь­ного набухания получается петля, по значению обратная гистерезису.

Такое состояние при работе с прибором РВ-8 объясняется тем, что скорость вращения ротора при снятии нагрузки очень сильно уменьшается. Уменьшение скорости вращения ротора может произойти только з том случае, когда система увеличит со­противление деформации по сравнению с исходным состоянием.

Увеличение сопротивления деформации разные авторы объясня­ют по-разному: И.М.Горькова [10, 11] – дилатантностью, Г.И. Фукс [16–19] – новообразованием сверхмицеллярных компактных струк­тур. Эрмит (цит. по Рейнеру [17]) для отличия от петли гистерезиса, которая характеризует тиксотропию [13] предложил термин «антитиксотропия».

Мы, в согласии с Н.И. Горбуновым, считаем, что термин «антитиксотропия» неудачен и вряд ли он закрепится в научной литературе, т.к. равносильно, если бы мы назвали эту петлю «антигистрезис» – в обоих случаях название не раскрывает физическо­го смысла процесса.

Мы в своих предыдущих работах [3, 7, 20] реологические кривые с петлёй, обратной гистерезису, подобные рис. 2, 4,8,10 относили к реопексии.

В более ранних работах по коллоидной химии [16] под реопексией понимался процесс новообразования компактных сверхмицеллярных структур, что приводит к увеличению сопротивления деформации. Чаще всего появлние кривых реопексии соответствует незаконченному процессу структурообразования. Именно последнее мы и имели в виду, когда относили свои кривые к реопексии.

 

 

Рис. 14а. Зависимость h = f (P) и N = f (P), выщелоченный чернозём, гор. (30–60 см). Образцы И.Н. Любимовой и Э.А. Корнблюма,W_н = 62 %; 1-е определение.

 

Рис. 14 б. Зависимость h = f (P) и N = f (P), выщелоченный чернозём, гор. (30–60 см). Образцы И.Н. Любимовой и Э.А. Корнблюма,W_н = 62 %; 2-е определение.

 

Рис. 15. Зависимость h = f (P) и N = f (P), предкавказский выщелоченный чернозём, разрез А1m ,гор. (30–60 см),W_f = 58 % .

В современной реологической литературе [17] под реопексией понимается явление затвердевания тиксотропного геля, ускоряющееся при медленном течении.

Н.И. Горбунов считает, что в высокодисперсных, гумусированных почвах при наличии минералов монтмориллонитового типа не исключено проявление реопексии в понимании Рейнера, т.е. увеличе­ние сопротивления деформации поисходит за счет усиливающегося тиксотропного восстановления разрушенных коагуляционных связей. Однако Н.И. Горбунов вносит существенную поправку к Рейнеру, за­ключающуюся в том, что ускорение тиксотропного восстановления, приводящее к реопексии, должно принципиально отличаться от про­стой тиксотропии тем, что это ускорение осуществляется за счет сложных когезионно-адгезионных процессов, усиленных деформацией системы.

Придавая большое значение выявлению природы явления реопексии в слитых чернозёмах, а также ряде других почв, все наши эксперименты мы направили на решение этого вопроса.

Перед экспериментом, который выполнялся по отработанной ранее методике для всех объектов исследования, была выдвинута следующая рабочая гипотеза. Если петля реопексии появляется как результат проявления дилатантных свойств дисперсной систе­мы (точка зрения И.М. Горьковой), то после многократных дополни­тельных разрушений дисперсной системы петля реопексии должна увеличиться за счет дополнительной седиментации грубодисперсных частиц. Наоборот, если петля реопексии появляется в результате разрушения коагуляционно-конденсационных структур (точ­ка зрения автора, высказанная в 1971 и 1972 гг. при изучении тиксотропных свойств тёмно-серых лесных почв и мощных черноземов Стрелецкой степи), то при многократных деформациях петля реопексии должна уменьшаться.

Только что сказанное подтверждается результатами экспери­мента, графически изображенного в виде реологических кривых на рис. 16, 17 и особенно на рис. 14а, б.

Образец слитого чернозёма Краснодарского края (об­разцы И.Н. Любимовой и Э.А. Корнблюма) при влажности максимального набухания (W_н = 66.5 %, величина набухания 267·0.01 мм, на­бухание длилось 13сут) при реологическом исследовании дал реологические кривые (рис. 16 и 17) типичные для реопексии. Первая кривая – сплошная линия – указывает на явное проявление дилатантности системы (вязкость h с увеличением нагрузки вначале падает, а затем увеличивается и только по достижении больших величин напряжения сдвига вязкость системы резко уменьшается). Обратная ветвь реологической кривой – пунктирная линия – указывает на процесс реопексии – восстановление структурной вязкости происходит значительно быстрее её разрушения.

После того как была снята реологическая кривая (рис. 16), образец почвы подвергли дополнительному разрушению из расчёта полевой нагрузки (если бы по полю прошёл гусеничный агрегат ве­сом 50 т) 1·10⁶ дин/см².

Сразу же после разрушения была измерена структурная вяз­кость, она оказалась равной h = 4200 пуаз. Перед разрушением система имела вязкость h = 2.94·10³ пуаз. Таким образом, деформация почвенного образца с нагрузкой, равной 1·10⁶ дин/см² привела к увеличению структурной вязкости системы, что можно объяснить, как уже было сказано выше, двояко: либо увеличени­ем сопротивления деформации за счёт дилатантного упрочнения, либо за счёт разрушения внутриагрегатных коагуляционно-конденсационных структур. Последнее приводит к увеличению числа контактов в единице объёма, обуславливая повышение вязкости системы. В пользу последнего говорит тот факт, что на реологи­ческой кривой (рис. 17), снятой через 30 мин отдыха (время, отведенное для структурообразования), вязкость системы

 

 

Рис. 16. Зависимость h = f (P) и N = f (P), слитой чернозём СЧС-В1, глубина (60–70 см), фракция < 1 мм ,W_н = 66.5 %.

 

Рис.17. Зависимость h = f (P) и N = f (P), слитой чернозём СЧС-В1m, глубина (60–70 см) фракция < 1 мм,W_н = 66.5 %; С_н = 60.2 %; 2-е определение.

возросла с 4200 пуаз до 4600 пуаз (Р_к1), а не уменьшилась, как в случае кривой на рис. 16 (2-я экспериментальная точка на кривой h = f (P)). Реологическая кривая на рис. 17 (сплошная линия) в отличие от кривой на рис. 16 имеет хорошо выраженные пре­делы прочности (Р_к1 и Р_к2). На кривой рис. 16 Р_к2 слабо выражен и характеризует тело Бингама, течение которого происхо­дит с постоянной пластической вязкостью h_m^* = 18.8 пуаз. При снятии нагрузки реологическая кривая образует петлю реопексии – но значительно меньшей величины. Последнее удовлетворяет положению, предусмотренному рабочей гипотезой автора.

Однако условия, отвечающие рабочей гипотезе И.М. Горьковой, также хорошо подтверждаются данными эксперимента, изображёнными графически на рис. 21. Для эксперимента была взята фракция (1–3) мм из образца выщелоченного чернозема с глубины (30–60) см. Почва описана и образцы взяты И.Н. Любимовой и Э.А. Корнблюмом в Краснодарском крае.

Кривая на рис. 21 снята при влажности максимального набу­ханияW_н = 68.7 % (набухание длилось 6 сут = 267·0.01мм) и дает ярко выраженную петлю реопексии, а после применения дополнительной деформации в 1·10⁶ дин/см² петля реопексии, как это следует из рис. 21б увеличилась почти вдвое.

Такое изменение в характере петли реопексии можно объяс­нитьтолько так, как объясняет И.М. Горькова. А именно, в про­цессе деформации, особенно при большой скорости, происходит расслоение дисперсной системы на твёрдую и жидкую фазы. Твёрдая фаза, оседая на дно цилиндра, увеличивает сопротивление вращению ротора ротационного вискозиметра, что мы и наблюда­ем на реологических кривых а и б рис. 21. Дополнительная де­формация увеличила количество осевших частиц, петля реопексии увеличилась, пластическая вязкость в обоих случаях осталась одинаковой, а структурная (эффективная) вязкость возросла при Р_к1 с 63.0 пуаз до 810 пуаз,

                                                                          

Рис. 18. Зависимость h = f (P) и N = f (P), смолница (Болгария), разрез 8, гор. (0–10 см),W_н = 69.4 %; С_н = 59.2 %.

Рис. 19. Зависимость h = f (P) и N = f (P), смолница (Болгария), разрез 8 (0–10 см),W_f = 63.8 %, С_f = 56.7      

 

Рис. 20. Зависимость h = f (P) и N = f (P), смолница (Болгария), разрез 8 (10-20) см, а:W_н = 69.3 %, б: W_f = 58.3 %.

Рис. 21. Зависимость h = f (P) и N = f (P), выщелоченный чернозём, гор. (30–60 см), фракция 1–3 мм, W_н = 68.7 %: а – 1-е определение, б – 2-е определение.

 

вязкость предельно разрушенной структуры увеличилась почти в полтора раза: с 9.1 пуаз до 13.1 пуаз. Поскольку эти исследования относились к наиболее круп­ным агрегатам (1–3) мм выщелоченного чернозема, то для того, чтобы сравнить полученные результаты с данными для слитых черноземов нужно было провести аналогичные исследования фракции от 1 до 3 мм, выделенной из образцов слитого чернозёма и фракции < 1 мм, выделенной из выщелоченного чернозёма.

На рис. 22 графически представлены данные для слитого чернозёма (образцы Любимовой–Корнблюма) фракции (1–3) мм, выделенной сухим просеиванием из образца почвы с глубины (60–70) см. Методика определения та же, что и в предыдущих образцах почв. Только увеличено количество последовательных разрушений, т.к. после первого разрушения (кривая б, рис. 22) нельзя было сделать определенного вывода о характере петли реопексии. Если и можно заметить её увеличение, то весьма незначительное в форме реологических    кривых N = f (P), тогда как в форме кривых зависимости структурной вязкости h = f (P) этого изменения не ощущается.

На рис. 22в изображены экспериментальные данные после применения вторичного разрушения с той же нагрузкой. В резуль­тате проведенного разрушения исследуема паста сделалась бо­лее пластичной: увеличились величины пластической вязкости с 8.4 пуаз до 15 пуаз, а эффективная вязкость при Р_к1 возросла до h = 3.3·10³ пуаз, последнее указывает на процесс тиксотропного упрочнения в течение времени, а также на увеличение числа контактов в единице объёма.

После того, как были сняты реологические кривые с образца слитого чернозёма (60–70) см почва была извлечена из цилиндра и тщательно растёрта пестиком с резиновым наконечником до нижней границы текучести, влажность которой составила 65 %.

Реологические кривые N = f (P) и h = f (P) графически представлены на рис. 22г – по своей форме они практически аналогичны рис. 22а: тот же наклон кривых, чуть меньше петля реопексии. Пластическая вязкость h_m^* увеличилась незначительно, но эффективная h при Р_к1 возросла до 5000 пуаз.

Проведенный эксперимент является подтверждением точки зрения Н.И. Горбунова, который указывает, что явление реопексии – это сложный процесс тиксотропного структурообразования, сопровождающийся перераспределением когезионно-адгезионных связей (когезионные связи усиливаются, адгезионные – ослабевают). При высыхании такой системы процесс структурообразования идёт в обратном направлении: т.е. вновь усиливаются адгезионные связи и они достигают такой огромной силы, что в почве образуются большие трещины, почва приобретает крупноблочную структуру большой прочности.

Исследуя кривые реопексии, мы попутно получили дополнительную информацию в отношении прочностных свойств коагуляционных структур, формирующихся в слитых и выщелоченных чернозёмах.

Так, сравнивая реологические характеристики образцов почвы в целом (пропущенной через сито в 1 мм) видим, что выщелоченный чернозём при влажности максимального набухания об­ладает более прочными коагуляционными связями (рис. 14а, б): Р_к1 в полтора раза выше значений слитого чернозёма (табл. 6).

Однако при деформации выщелоченный чернозём очень быстро из состояния реопексии (рис. 14а) перешёл в тиксотропность: произошло разрушение почвенных агрегатов, которые обеспечивали дилатантность системы при начальной стадии деформирования (сплошная линия на рис. 14а даёт характерный дилатантный пик).

После дополнительного разрушения, приложенного дополнительно к обоим образцам, выщелоченный чернозём проявил тиксотропность, тогда как

 

 

Рис. 22. Зависимость h = f (P) и N = f (P). Слитой чернозём СЧС1 (образцы И.Н. Любимовой и Э.А. Корнблюма), фракция 1–3 мм; W_н = 69 %: а – 1-е определение, б – 2-е определение, в – 3-е определение, г – 4-е определение.

 

слитой чернозём всё ещё сохранял реопексию (правда, петля реопексии значительно уменьшилась).

Из этого следует, что внутриагрегатные связи (по-видимому, когезионные) у слитого чернозёма значительно прочнее, чем у выщелоченного. До разрушения отношение пределов прочности P_m/P_к1 для выщелоченного и слитого чернозёма было 25.2 и 20.2 (табл. 6), а после разрушения соответственно стало 4.65 и 5.2. Очень резко возросла структурная вязкость выщелоченно­го чернозема от 6.45·10³ пуаз до 1.45·10⁵ пуаз.

Что касается прочности более крупных частиц – от 1 до 3 мм, – то более прочными являются агрегаты выщелоченного чернозема (табл. 6).

Является ли это спецификой генетической особенности чер­нозёмов или зависит от каких-либо других причин, полученные экспериментальные данные ответа не дают.

По совету Н.И. Горбунова мы провели дополнительно анало­гичные исследования для ряда других объектов, резко отличаю­щихся по своим свойствам от чернозёмов.

В качество объектом исследования были взяты тяжёлые юр­ские глины Подмосковья и лёгкие глинистые дерново-подзолистые почвы с многолетних опытов ТСХА [3].

Юрская глина (образцы Н.И. Горбунова, разрез 577) в сухом со­стоянии представляла очень плотнее глыбы. Путем механического дробления и растирания и ступке глина была доведена до определенной степени дисперсности.

Для анализа была взята глина, пропущенная через сито в 1 мм.

На рис. 23 графически изображены экспериментальные данные, полученные по той же методике, что и для вышерассмотренных слитых черноземов. И, как видим, получена аналогичная картина: при влажности максимального набухания (рис. 23а) наблюдается резко выраженная дилатансия, но при деформации в области боль­ших напряжений происходит разрушение агрегатов, что приводит к увеличению контактов и единице объёма и возрастанию струк­турной вязкости после снятия напряжения. Начальная вязкость составляла 550 пуаз, а конечная возросла до 15000 пуаз. После окончания эксперимента образец глины был извлечен из цилиндра, перемешен шпателем и без добавления глины доведен до состояния нижней границы текучести W_f = 51.2 %.

Реологические кривые (рис. 23б) образуют петлю гистерезиса, типичную для коагуляционных тиксотропных структур: структурная вязкость при P_к1 составляла 1.45·10⁵ пуаз, но с увеличением напряжения сдвига до P_m вязкость глины резко упала до 82.5 пуаз. Пластическая вязкость составила 32.0 пуаза, а при W_н она была равна 33.8 пуаза. Отношение пределов прочности P_m/P_к1 при W_н равно 20.0, а при W_f – 14.3. Все эти данные указывают на то, что исследуемая глина в деформационном отношении близка к вышерассмотренным чернозёмам (рис. 14а, 16, 20а, б).

При реологическом исследовании образца глины р.577 у нас возникло предположение, что высокая структурная прочность гли­ны обусловлена за счёт конденсационной структуры, возникшей при высыхании.

В связи с чем мы провели реологические исследования этой же глины, непосредственно взятой из карьера Н.И. Горбуновым (р. 734) с её естественной влажностью W = 40.3%. Исходная проч­ность глины, определённая с помощью пенетрометра ЛП составила 7.4·10⁶ дин ⁄ см².

Исследования природной глины выполнялись по двум вариантам. Глина была разделена на две части. Одна часть глины была подвергнута

 

 

Рис. 23. Зависимость h = f (P) и N = f (P) глины из Подмосковного карьера, раз. 577 Н.И. Горбунова: а – W_н = 56.6 %; б – W_f = 51.2 %.

высыханию в комнатных условиях до воздушно-сухого состояния. Другая часть в свежем виде поступила в анализ. Пу­тем добавления небольших порций воды и растирания резиновым пестиком глина была доведена до W_f = 56.5 %. После эксперимен­та, результаты которого изображены на рис. 24а, глина была очень сильно разбавлена водой и растёрта до состояния однородной консистенции.

После структурообразования, которое длилось 4 сут, гли­на в концентрации 45.5 % по твёрдой фазе и влажностью 119 % (на сухую навеску) была анализирована. Данные представлены графически на рис. 24б и в (второе определение после разрушения). Как следует из представленных на рис. 24 графиков, во всём исследованном интервале влажности кривых реопексии, как это было показано на рис. 23а, не обнаружено.

Параллельно с этим экспериментом проводился опыт по изу­чению кинетики структурообразования в глинистой суспензии, приготовленной из естественного образца. Было установлено, что суспензия в концентрации твёрдой фазы в жидкой 18.8 % (W = 430 %) не схватывалась в течение 15 мин. После 15-минутного по­коя в суспензии образовалась коагуляционная – тиксотропная – структура прочностью в 4.95 мг/см². Кинетика структурообразования в суспензиях глины 18.8 % и 20.4 %, а также характер восстановления коагуляционной структуры графически изображены на рис. 25.

На рис. 26 представлены экспериментальные данные этой же глины по второму варианту опыта. Глина высушена на воздухе и подготовлена к исследованиям по методике, описанной выше для образца 577 и слитых черноземов.

При влажности максимального набухания (рис. 26а) глина проявила дилатантность, но по мере увеличения нагрузки и ско­рости деформации происходило разрушение глинистых агрегатов, что привело к увеличению

Рис. 24. Зависимость h = f (P) и N = f (P). Юрская глина, р. 734, свежая, растёрта с водой до W_f =56.5 % (а), затем добавлена ещё вода и глина поставлена на структурообразование: W = 119 %: б – 1-е определение, в – 2-е определение.   

              

 

 

Рис. 25 Структурообразование в суспензии юрской глины, р. 734: 1 – W = 380 %, С т.ф.= 20.4 %; 2 –W = 430 %, С т.ф.=18.8 %. Сплошная линия до разрушения, пунктирная – после разрушения структуры. На оси ординат отложена начальная прочность структуры.

 

Рис. 26. Зависимость h = f (P) и N = f (P). Юрская глина, р. 734, W_н = 62.5 %: а – 1-е определение, б – 2-е определение; в – W_f = 51.8 %.

 

числа контактов в единице объема, обеспечив высокую структурную вязкость. Реологические кривые образовали петлю, обратную гистерезису, т.е. дисперсная система при снятии нагрузки увеличила сопротивление деформации.

Дополнительно применённое разрушение в 1·10⁶ дин/см² привело к увеличению структурной вязкости (табл. 7), а реоло­гические кривые образовали петлю реопексии несколько большую, чем при первом определении.

Короче говоря, проведенный эксперимент с юрской глиной убедительно показал, что глина, дегидратированная до воздушно-сухого состояния, в реологическом отношении ведет себя подобно слитым и выщелоченным чернозёмам.

А естественная глина в любом диапазоне изменения влажности (от 56.6 до 430 %) характеризуется формированием коагуляционных структур тиксотропного характера (рис. 24, 25). С увеличением влажности прочность коагуляционных структур уменьшается: на реологических кривых образуется петля гистерезиса, указывающая на тиксолабильность (рис. 24б). Кинетика тиксотропного структурообразования, графически изображенная на рис. 25, дополнительно указывает, что с увеличением концентрации системы уменьшается время тиксотропного восстановления разрушенной структуры (при С_т.ф. = 18.8%: t_s = 8 мин, K_т = 0.75, при С_т.ф. = 20.4%: t_s = 6 мин, K_т = 1.75) и увеличивается коэффициент тиксотропности.

Кинетика тиксотропного структурообразования в почвенных суспензиях слитых чернозёмов (рис. 27), изученная в диапазоне изменения влажности от 80 до 325 %, показала, что в свежепри­готовленных суспензиях образуется коагуляционно-тиксотропная структура малой прочности, очень быстро разрушающаяся под действием прочносцементированных микроагрегатов (которые не разрушались даже при растирании резиновым пестиком), в результате чего происходит расслоение дисперсной системы на т е дую и жидкую фазы. Грубодисперсная фракция твёрдой фазы обуславливает дилатантность системы при большой скорости деформации, а реологические кривые образуют петлю реопексии.

Проведенные исследования по кинетике тиксотропного структурообразования позволили вскрыть причины появления кривых реопексии, но не понять их природу.

Остается не ясным – является ли реопексия типичной для любой дилатантной системы или это свойственно только прочноагрегированным дисперсным системам.

В связи с чем был взят образец легкосуглинистой дерново-подзолистой почвы [3] и при строгом соблюдении методики иссле­дования, применявшейся в случае исследования петель реопексии, были получены экспериментальные данные, изображенные на рис. 28.

Поскольку почва в целом (пропущенная через сито в 1мм) при W_f и W_н из-за сильной дилатантности оказалась непри­емлемой для РВ-8, то мы вынуждены были работать с фракцией < 0.25 мм.

На рис. 28а представлены данные при влажности нижней границы текучести. Реологические кривые N = f (P) и зависимость структурной вязкости от напряжения сдвига h = f (P) при снятии нагрузки образуют большие петли гистерезиса, ука­зывающие на тиксотропность данной системы. На кривой изменения вязкости – в области большой скорости деформации – наблюдается разброс экспериментальных точек, что свидетельству­ет о неоднородности данной дисперсной системы. Отношение пределов прочности очень высокое, особенно приW_{н .} P_m/P_к1 = 70.0 за счет ярковыраженной дилатансии (рис. 28б). Структурная вязкость восстанавливается не полностью.

Рис. 27. Структурообразование в суспензиях слитого чернозема, а: С =26.2 %, б: С = 32.4 %, в: С = 49.7 % для горизонта 60–70 см, образец Э.А. Корнблюма; г: образец В.В. Егорова, раз. 11 (0–15 см), С = 49 %. Прямая линия – свежеприготовленная суспензия, пунктирная – после перемешивания, разрушения суспензии.

На рис. 29 представлены экспериментальные данные по ки­нетике тиксотропного структурообразования в суспензиях дерново-подзолистой почвы, приготовленных из фракций < 0.25 мм и < 0.01 мм.

Не останавливаясь на детальном разборе характера структурообразования, отметим лишь общее, характерное для этой почвы: илисто-коллоидная фракция способствует формированию коагуляционных тиксотропных структур. Суспензия, приготовленная из фракции < 0.01 мм (рис. 29а) проявляет тиксотропное структурообразование с очень слабыми коагуляционными связями.

В суспензиях, приготовленных из фракции < 0.25 мм (рис. 29б) почти той же концентрации, прочностные показатели значи­тельно выше, чем в суспензиях, приготовленных из фракции < 0.01 мм.

Это мы объясняем влиянием примеси грубодисперсных частиц, которые в свежеприготовленной суспензии в первый момент ока­зывают кажущееся увеличение прочности из-за механического сопротивления напряжению сдвига. С течением времени в резуль­тате седиментации грубых частиц прочностные свойства падают (рис. 29в), т.к. слабые коагуляционные структурные связи не в состоянии удержать их в своей сетке.

Во всех случаях изученной нами кинетики структурообразования в суспензиях дерново-подзолистой легкосуглинистой по­чвы получены кривые типа рис. 29: после разрушения сформировавшейся коагуляционной структуры её восстановление идет по смешанному тиксотропно-тиксолабильному типу.

Рассматривая кинетику структурообразования, представленную на рис. 25,27 и 29, мы видим, что между ними имеется много общего: нарастание прочностных свойств во времени, что является главной особенностью коагуляционных структур.

Рис. 28. Зависимость h = f (P) и N = f (P) дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы, гор. 0–20 см, фракция < 0.25 см: а –W_f = 26.8 %, б –W_н = 46.0 %.

 

Рис. 29. Структурообразование в суспензиях дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы, горизонт (0–10 см): а – С_т.ф. = 50%, б – С_т.ф. = 55.9 %, в – С_т.ф. = 68.1 %; а – в суспензии из фракции < 0.01мм, б и в – в суспензиях из фракции < 0.25 мм. Прямая линия – вновь приготовленная суспензия, пунктирная – после разрушения, перемешивания суспензии.

 

Однако при более тщательном анализе экспериментальных данных нельзя не отметить и их отличие, заключающееся в характере восстановления сопротивления деформации.

В 1-й части отчёта было указано, что по характеру восстановления деформации коагуляционные структуры согласно классификации Г.И. Фукса [19, 20] разделяются на тиксолабильные, тиксотропные и тиксостабильные.

Идеальным представителем коагуляционно-тиксотропного структурообразования является юрская глина (рис. 25): свежеприготовленная суспензия в течение времени развивает коагуляционную структуру со всё возрастающей прочностью, после разрушения которой происходит её постепенное восстановление. Было бы интересным проследить весь цикл структурообразования. Судя по графикам рис. 25 в нашем эксперименте процесс структурообразования суспензиях юрской глины не закончен.

Близкой по структурообразованию к юрской глине является суспензия дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы, приготовленная из фракции < 0.01мм. В данной фракции содержится наиболее активная часть почвы, её илистая и коллоидная фракции, они-то и образуют коагуляционные структуры. По характеру восстановления сопротивления деформации они относятся к тиксотропным, правда, очень малой прочности. Нарастание проч­ности значительно увеличилось в суспензии, приготовленной из фракции < 0.25 мм (рис. 29б). Но это кажущаяся прочность, обусловленная механическим сопротивлением грубодисперсных частиц, которые очень быстро приводят дисперсную систему к расслоению на твёрдую и жидкую фазы. Процесс структурообразования здесь очень кратковременный. Свежеприготовленная суспензия увеличивает прочностные свойства только в первые ми­нуты структурообразования. Рис. 29в отчетливо фиксирует со­стояние седиментации грубодисперсной фракции, влекущее за собой расслоение дисперсной системы.

Аналогичную картину – уменьшение прочностных свойств во времени – мы наблюдаем и в кинетике структурообразования в суспензиях слитого чернозёма (рис. 27а–в).

Однако причины отмеченного уменьшения прочности здесь со­вершенно другие. Если в дерново-подзолистой легкосуглинистой почве уменьшение прочностных свойств в суспензиях связано с оседанием грубодисперсных, главным образом, песчаных части­чек, то в суспензиях слитого чернозёма преобладают пылеватая и илистая фракции, способствующие формированию коагуляционных структур.

Но особенно характерным отличием в структурообразовании слитых чернозёмов является восстановление сопротивления деформации: после разрушения сформировавшейся коагуляционной структуры происходит нарастание прочностных свойств системы, т.е. и здесь мы видим те же кривые реопексии, что и на ре­ологических кривых, полученных с помощью ротационного вискозиметра РВ-8 (рис. 2, 4, 8, 10, 12, 14а, 16–18, 20а, 21, 23а, 26а, б).

Изучение кинетики структурообразования в слитых черно­зёмах убедительно показывает, что формирование коагуляционных структур здесь происходит по особому типу, сопровожда­ется процессом увеличения скорости структурообразования после перемешивания (разрушения). Пунктирная линия, изображающая процесс восстановления разрушенной коагуляционной структуры во всех случаях идет выше сплошной линии (рис. 27а–г). Следует отметить, что процесс структурообразования в суспензиях слитого чернозёма заканчивается также быстро, как и в дерново-подзолистой почве, но причины этого совершенно иные. В суспензиях слитого чернозема происходит бур­ное структурообразование компактных коагуляционных структур, которые соединяются в крупные агрегаты и затем всё более упро­чняясь в процессе синерезиса и седиментации (совершающихся по­чти одновременно) постепенно переходят в прочные конденсационные структуры.

И.М. Горькова [10–12] указывает, что все структурированные дисперсные системы, в том числе и глины, подвержены процессам старения – самопроизвольному увеличению прочности сцепления частиц между собой. Увеличение прочности сцепления частиц дисперсной фазы (застудневание) стареющей системы сопровождается сжа­тием структурной сетки за счёт молекулярных сил притяжения между частицами и вытеснением части связанной дисперсионной среды за пределы дисперсной системы [10].

Однако в глинах процесс структурообразования идет по типу коагуляционных – тиксотропных структур, а в слитых черно­земах – по особому типу, сопровождающемуся увеличением скоро­сти структурообразования после разрушения структурных связей.

В процессе структурообразования в суспензиях слитого чер­нозёма мы следили за изменением концентрации твёрдой фазы.

Так, для примера, разберем кривую в рис. 27: структурообразование здесь закончилось в течение 10–15 мин. Точки 2 и 3, отмеченные на кривой имели одинаковую концентрацию, равную исходной (С = 49.7%) и одинаковую прочность структуры 102 мг/см². После замера точки 3 суспензия была оставлена на структурообразование, но спустя 8 мин мы заметали слабый блеск капель отделившейся воды. Произвели замер прочности структуры и одновременно взяли пробу на концентрацию. Оказалось, что концентрация суспензии снизилась до 49,0 %. а ее прочность соответственно уменьшилась до 96 мг/см².

Аналогичные изменения были отмечены и в случае кривых а и б, изображенных на рис. 27.

В 49 %-ной суспензии слитого чернозёма из раз. 11 гор. (0–10 см) в течение часа (рис. 27г) продолжалось структурообразование с нарастанием прочности, восстановление разрушенной структуры идет так же, как и для гор. (60–70 см) по типу реопексии.

Было бы очень интересным проследить процесс структурообразования в гор. (0–10 см) до конца.

Подводя итог рассмотрению кинетики структурообразования в суспензиях слитого чернозёма, следует отметить, что процесс коагуляционного структурообразования в свежеприготовленных суспензиях протекает очень быстро с образованием компактных сверхмицеллярных [19] структур. В течение времени компактные структуры переходят в прочные агрегаты с конденсационно-коагуляционными связями.

Внутриагрегатные связи всё более упрочняются, а межагре­гатные связи, наоборот, всё более ослабевают и разрушаются, в результате чего происходит седиментация крупных агрегатов. Как нам кажется, данный эксперимент как нельзя лучше подтверждает точку зрения Н.И.Горбунова, высказанную им в отношении реопексии. Когезионные силы сцепления увеличиваются, а адгезионные силы сцепления уменьшаются. При механическом разрушении образовавшихся компактных агрегатов перевес берут адгезионные силы сцепления, скорость структурообразования возрастает, но в течение времени происходит обратный процесс упрочнения когезионных связей (согласно закона об уменьшении поверхностной энергии): одноимённые почвенные частички объединяются в более крупные почвенные агрегаты.

В случае дегидратации таких структур происходит почти необратимый процесс перехода коагуляционных структур в конденсационно-кристаллизационные.

Примером только что сказанного является юрская глина. В природных условиях юрская глина обладает коагуляционными структурами тиксотропного характера (рис. 24). Эта же глина, высушенная на воздухе, при реологических исследованиях обнару­жила реопексию (рис. 26, кривые а и б).

К сожалению, все наши исследования слитых чернозёмов бы­ли проведены с воздушно-сухими образцами. Было бы очень ин­тересно изучить кинетику структурообразования в суспензиях слитого чернозема, не подвергшегося дегидратации.

Однако у нас имеются данные по кинетике структурообразования для других типов почв [1] и в частности, для рассмотренной здесь дерново-подзолистой легкосуглинистой, но ни в одном из случаев мы не обнаружили кривых реопексии.

Напротив, в слитом чернозёме из Болгарии, реологические кривые которого (рис. 18, 20а) образуют петли реопексии, структурообразование в почвенной суспензии (рис. 30) с кон­центрацией твёрдой фазы в жидкой равной, как и для слитого предкавказского чернозёма (рис. 27а) 26.2 %, идет по коагуляционно-тиксотропному типу.

 

Рис. 30. Структурообразование в 26.2 %-ной суспензии слитого чернозёма – «смолницы» (Болгария) – раз 8, гор. 0–10 см, образец В.В. Егорова. Сплошная линия – свежеприготовленная суспензия, пунктирная – после перемешивания, разрушения.

К сожалению, за неимением почвенных образцов изучить кинетику структурообразования в слитом чернозёме практически не удалось.

Продолжение исследования кинетики структурообразования в слитых чернозёмах различных геоморфологических ареалов, возможно, пролило бы свет и на их генезис. Но, поскольку перед нами стояла совершенно конкретная цель – изучить реологическую характеристику слитых чернозёмов, то, получив необходимые данные (табл. 1–5, рис. 1–30) мы закончили эксперимент.

Попутно был решён важный теоретический вопрос – выяснение природы петель реопексии.

На основании всего выше рассмотренного эксперименталь­ного материала, приведенного на рис. 1–30 и в табл. 1–7 в отношении появления на реологических кривых петель реопексии, можно констатировать следующее.

Каждая из гипотез по объяснению явлений реопексии, подвергшаяся экспериментальной проверке, справедлива на определённой стадии исследования и дополняет одна другую.

Наиболее полно сущность появления кривых реопексии раскрывается при изучении кинетики коагуляционного структурообразования в суспензиях разных типов почв.

В согласии с Н.И. Горбуновым мы считаем, что появление на реологических кривых петель реопексии связано со сложным про­цессом перераспределения структурных связей: при увлажнении и деформации происходит ослабление внутриагрегатных, главным образом, когезионных сил сцепления. Последнее приводит к разрушению прочносцементированных агрегатов, увеличению количе­ства микроагрегатов и усилению межагрегатных, главным обра­зом, адгезионных сил сцепления.

Петли реопексии характерны только для почв тяжёлого механического состава, обладающих прочными коагуляционно-конденсационными структурными связями.

Почвы легкого механического состава при реологических исследованиях петель реопексии не дают. Они проявляют типич­ную дилатансию [3].

Как правило, при начальной стадии деформации почв в со­стоянии максимального увлажнения (W_н) на реологических кри­вых появляется характерный дилатантный пик, который образуется вследствие расслоения дисперсной системы на твёрдую и жидкую фазы. При увеличении скорости деформации этот пик исчезает, а при снятии напряжения восстановление сопротивления деформации может идти двояко: либо с увеличением (по типу реопексии), либо с уменьшением (по типу тиксотропии) скорости восстановле­ния сопротивления деформации.

Появление кривых реопексии на реологических кривых указывает, что дилатантные свойства обусловлены прочносцементированными агрегатами почв.

Во втором случае дилатансия объясняется примесью грубодисперсных частиц почвы (кварц, обломки щебня и т.д.), ока­зывающих механическое сопротивление вращению ротора. В этом случае обратная ветвь (пунктирная линия) реологической кривой, как правило, заканчивается при напряжениях, превышающих P_к1.

Реологическая характеристика, полученная с той или иной почвы, дает интегральное отражение прочностных свойств данной дисперсной системы, в основном обусловленных сцеплением почвенных частиц.

Но, как указано выше, при исследовании почвенных образ­цов, приготовленных из почвы в целом немаловажное, а иногда даже решающее значение играют те примеси, которые находятся в почве даже в небольшом количестве. Поэтому при реологиче­ских исследованиях того или иного почвенного образца прежде всего необходимо познакомиться с морфологическим описанием почвы, её химической и физической характеристикой.

Ротационный вискозиметр РВ-8, с помощью которого мы проводим реологические исследования, является очень чувствительным прибором к изменению физического состояния почвы: очень точно фиксирует все те изменения, которые в ней происходят, но прибор не может дать объяснения, чем они вызваны.

Так, например, хорошо оструктуренная прочноагрегированная почва и совсем бесструктурная почва грубого механического состава могут иметь одинаково высокое значение пределов проч­ности. Однако, как это нами показано на примере анализа сли­тых чернозёмов и дерново-подзолистых легкосуглинистых почв – характер реологических кривых и их деформационное поведение резко отличаются.

Для выявления деформационных свойств любой почвы недо­статочно получить данные при одном физическом состоянии, на­пример, при W_f или W_н. Необходимо получить целую серию (семейство) реологических кривых, по изменению которых можно будет судить о деформационном поведении той или иной почвы.

Так, на основании проведенных реологических исследований слитые чернозёмы характеризуются большой пластичностью, высокой вязкостью и способностью к внезапному разжижению при высоких напряжениях, а при снятии напряжения – к тиксотропному восстановлению. При влажности максимального набу­хания слитые черноземы проявляют реопексию. Исследование кривых реопексии показало, что это вполне закономерное явление, указывающее на наличие в почвах прочных коагуляционно-конденсационно-цементационных (кристаллизационных) структур.

Сравнение реологических характеристик слитых и выщелочен­ных чернозёмов, а также смолниц Болгарии дает основание выска­зать предположение, что слитообразование почв есть физико-механический процесс упрочнения коагуляционно-конденсационных струк­тур.

Чем более древние почвы, с точки зрения культуры земледе­лия, тем они больше должны проявлять свойства слитообразования. При одинаковом возрасте почв доминирующим признаком слитообразования будет являться рельеф местности – менее дренированные места будут больше подвержены слитообразованию, чем более дрени­рованные.

При прочих равных условиях на слитообразование будут влиять сроки обработки почвы и виды применяемых деформаций.

 

Автор выражает глубокую благодарность руководителю работы чл.-корр. ВАСХНИЛ, проф. В.В. Егорову за предоставленные объекты исследования и общую направленность научных по­исков; доктору с.-х. наук, проф. Н.И. Горбунову за постоянную научную помощь в работе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.    Абрукова Л.П. Кинетика процессов тиксотропного структурообразования в почвенных суспензиях ⁄⁄ Почвоведение.1970. № 3.

2. Абрукова Л.П. Тиксотропные свойства тёмно-серых лесных почв ⁄⁄ Почвоведение. 1972. № 8.

3. Абрукова Л.П., Прудникова А.Г. Реологическая характеристика дерново- подзолистой легкосуглинистой почвы ⁄⁄ Изв. ТСХА. 1975. № 3.

4. Блажний Е.С., Багров О.Н. О физических свойствах слитых чернозёмов ⁄⁄ Почвоведение. 1960. № 12.       

5. Быстрицкая Т.Л., Тюрюканов А. М. Чёрные слитые почвы Евразии. М.: Наука, 1971.

6. Волобуев В.В. О слитых чернозёмах ⁄⁄ Почвоведение. 1948. № 4.

7. Горбунов Н.И., Абрукова Л.П. Реологические свойства и минералогический состав слитых почв ⁄⁄ Почвоведение. 1974. № 8.

8. Горбунов Н.И., Туник Б.М. Минералогический состав, свойства и плодородие почв и пород, нарушенных промышленно­стью ⁄⁄ Почвоведение.1969. № 12.

9. Горбунов Н.И. Рекультивация земель ⁄⁄ Науч. тр. Курской гос. оп. с.-х.станции. Т.7. Курск, 1971.

10. Горькова И.М. Глинистые породы и их прочность в свете современных­ представлений коллоидной химии ⁄⁄ Тр. Лаб. гидрогеологических проблем им. Саваренского. 1957. Т. XY.

11. Горькова И.М. Теоретические основы оценки осадочных пород в инженерно-геологических целях. М.: Наука, 1966.

12. Горькова И.М. Физико-химические исследования дисперсных осадочных пород в строительных целях. М.: Стройиздат, 1975.

13. Грин Г., Уэлтман Р. Тиксотропия ⁄⁄ Физико-химия глинистых растворов. М.: Гостоптехиздат, 1947.

14. Кобахидзе Е.И., Шишниашвили М.Е. Тиксотропное структурообразование и упруго-пластические свойства суспензий аскангеля ⁄⁄ Коллоид. журн. Т.19. Вып.1. 1957.

15. Козловский Ф.И., Корнблюм Э.А. Мелиоративные проблемы освоения почв степной зоны. М.: Наука, 1972.

16. Рабинерсон А.И., Фукс Г.И. Структура почвенных коллоидов. Л.:

Тр. ЛОВИУА, 1938. Вып. 22.

17. Рейнер М. Реология. М.: Наука, 1965.

18. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика. М.: Знание, 1953.

19. Фукс Г. И. Вязкость и пластичность нефтепродуктов. М.: Гостоптех­издат, 1951.

20. Фукс Г. И., Абрукова Л.П., Бурибаев Я.Б. Влияние поглощенных оснований на реологические свойства почвообразующих глин ⁄⁄ Почвоведение. 1973. № 10.

21. Яковлев С.А. Почвы и грунты по линии Армавир-Туапсинской ж.д. СПб., 1914.