1.3. Гранулометричний аналіз грунту

Кількісне визначення в ґрунті вмісту механічних елементів називають гранулометричним аналізом. Більшість методів визначення гранулометричного складу ґрунтується на законах падіння твердих часток та відстоювання їх у спокійній воді за певний час. Якщо збовтати в циліндрі ґрунтову суспензію, то в міру відстоювання у воді частки ґрунту розподіляються відповідно до їх роз­міру: дрібні частки тривалий час залишаються у скаламученому стані, а великі будуть осідати на дні.

Швидкість падіння ґрунтових часток у рідкому середовищі прямо пропорціональна квадратові їх радіуса. Для визначення розмірів часток на основі швидкості падіння користуються формулою Стокса:

(1)

де V – швидкість падіння часток, см/с; R – радіус часток, см; D – питома вага частки; d– питома вага рідкого середовища; η – в'язкість рідини; g – прискорення сили тяжіння.

Оскільки у більшості випадків механічні елементи, особливо дрібні, у ві­льному стані зустрічаються лише у піщаних ґрунтах, а в суглинкових та глини­стих вони об'єднані в агрегати і структурні окремості, то для кількісного визна­чення елементарних часток різного розміру спочатку необхідно зруйнувати агрега­ти. Для цього застосовують механічний вплив та хімічну обробку ґрунту: роз­тирання, кип'ятіння з водою, обробку слабкими розчинами кислот, руйнування карбонатів та витіснення увібраних катіонів кальцію і магнію, диспергування розчином пірофосфату натрію тощо.

Отже, гранулометричний аналіз складається з двох частин: підготовки ґрунту до аналізу і виділення окремих фракцій з визначенням їх відносного вмісту.

1.3.1. Підготовка ґрунту до гранулометричного аналізу (за н.А. Качинським)

Основна мета підготовки ґрунту до аналізу полягає у попередньому руйнуванні ґрунтових агрегатів. Для цього його розтирають у фарфоровій ступці товкачиком з гумовим наконечником і просівають крізь сито з діаметром отво­рів 1 мм. Скелетну частину, яка залишилася після просіювання на ситі, відми­вають від глинистих часток, висушують, зважують і розраховують у відсотках від загальної маси сухого ґрунту. Далі приступають до хімічної підготовки згідно з методикою Н.А. Качинського. Вона залежить від наявності в ґрунті карбонатів кальцію та магнію, тому роблять пробу на присутність карбонатів. На ґрунт капають 10%-м розчином соляної кислоти: якщо він скипає і виділяються бульбочки СО₂, то спочатку треба розкласти карбонати.

1.3.1.1. Підготовка без карбонатного ґрунту

Наважку ґрунту 10 або 20 г висипають у фарфорову чашку (чим легший гранулометричний склад ґрунту, тим більшу наважку треба брати) і порціями приливають туди з мірної колби на 200 мл 0,05 н соляну кислоту, помішуючи скляною паличкою з гумовим наконечником, даючи можливість ґрунту осісти на дно; після цього суспензію фільтрують крізь простий змочений дистильова­ною водою фільтр середньої щільності в колбу, відкалібровану до об'єму 300 мл. Останню порцію кислоти разом з ґрунтом переносять на фільтр і промивають дистильованою водою до риски 300 мл, не допускаючи появи каламуті. Якщо в колбі з'явилася каламуть, яка свідчить про проходження колоїдів крізь фільтр, промивання припиняють. Промивних вод разом з фільтратом по­винно бути рівно 300 мл. Фільтрат ретельно перемішують і використовують для визначення втрат від обробки ґрунту соляною кислотою і суми увібраних ос­нов. Величина втрат від обробки соляною кислотою має самостійне значення. Вона характеризує наявність у ґрунті легкорозчинних солей і карбонатів.

Піпеткою відбирають 50 мл фільтрату і переносять його у заздалегідь зважену фарфорову чашку, ставлять на водяну баню, випаровують, висушують у сушильній шафі 2 години, охолоджують в ексикаторі і зважують на аналітич­них терезах. Розрахунки проводять за формулою:

(2)

де В_нсl – втрати від обробки соляною кислотою, %; Р - маса сухого залишку, г; 6 – коефіцієнт для перерахунку на весь об'єм фільтрату (300: 50=6); 100 для перерахунку у відсотки; К_Н2O. – коефіцієнт гігроскопічності; Р – маса повітряно-сухого ґрунту, взятого для аналізу, г.

Для визначення суми увібраних основ піпеткою відбирають дві порції фільтрату по 30 мл у колби на 100 мл і відтитровують 0,1 н розчином NаОН з індикатором фенолфталеїном (2 краплі) до блідо-рожевого забарвлення. Кількість увібраних основ у наважці ґрунту визначають за формулою:

₍₃₎

де а – кількість мл 0,1 н NaОН затраченого на титрування 50 мл фільтрату (се­реднє з двох повторень); 6 - коефіцієнт для перерахунку на весь об'єм філь­трату; 10 - кількість мг-екв, взятих для аналізу 0,05н НС1 (0,05-200 = 10); 0,1 - нормальність NaОН для перерахунку в мг-екв; К_NаОН–поправка на нормальністьNaОН.

Сума увібраних основ визначається для того, щоб знати, яку кількість лугу необхідно прилити в колбу, куди буде перенесено ґрунт з фільтру, для створен­ня слабколужної реакції ґрунтової суспензії.

Приклад обчислення. На титрування 50 мл фільтрату витрачено 11,8 мл 0,1 нNaОН (К_NаОН =0.989). Кількість увібраних основ розраховуємо за формулою:

S=10-6∙11.8∙0.1∙0.989=3 мг-екв. (4)

Отже, у наважці ґрунту кількість увібраних основ дорівнює 3 мг-екв.

На 1 мг-екв суми увібраних основ необхідно приливати 10 мл 0,1 н NаОН. Якщо сума увібраних основ не визначалась, то луг додають до суспензії посту­пово, невеликими порціями до встановлення слабколужної реакції (проба у фа­рфоровій чашці з фенолфталеїном).

Промитий ґрунт змивають з фільтру за допомогою промивалки в конічну колбу місткістю 500 мл приблизно до об'єму 250 мл. Додати до суспензії роз­раховану кількість лугу. У колбі відбувається така реакція:

[ГВК^5-]5Н⁺ + 5NaOH →[ГВК^5-]5Na⁺ + 5Н₂O

ГВК ґрунту насичується одновалентними катіонами натрію і колоїди із стану гелю переходять у золь, що призводить до розділення агрегатів на окремі частки.

Колбу ставлять на електроплитку і рівномірно кип'ятять суспензію протя­гом однієї години з моменту закипання. Для зменшення випаровування засто­совують зворотний холодильник – скляну лійку з коротким носиком.

При кип'ятінні слідкують, щоб реакція суспензії була слабколужною, тобто суспензія повинна мати блідо-рожеве забарвлення. Якщо під час кип'ятіння це забарвлення зникло, треба капнути в колбу 2-3 краплі фенолфталеїну і дода­ти 0,1 н NaOH до рожевого забарвлення.

Після кип'ятіння суспензію потрібно остудити. На цьому закінчується перша частина аналізу, тобто хімічна підготовка безкарбонатного ґрунту до ви­значення гранулометричних фракцій.