董紅艷 代啟亮 王寶龍 高貴全 雷騰云 宋永正

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201； 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處，云南 昆明 650201)

?

植被紅土和非植被紅土接觸角測量的試驗研究

董紅艷1代啟亮1王寶龍1高貴全2雷騰云1宋永正1

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201； 2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處，云南 昆明 650201)

對云南農(nóng)業(yè)大學(xué)某處的植被紅土和非植被紅土進行試驗，測定了土體類別及其接觸角范圍，結(jié)果表明：植被紅土和非植被紅土均為黏性土，并由改進的Wilhelmy吊片法測得兩者的接觸角較小，都為親水性土壤，具有較好的滲透能力，且植被對土體的斥水性存在影響。

紅土，接觸角，液限，塑限，滲透能力

1 概述

接觸角是固液、固氣間濕潤程度的度量。接觸角的大小是反映土壤滲透能力的重要指標，也是體現(xiàn)材料表面濕潤能力的重要指標。土壤的滲透能力對土工建筑物的穩(wěn)定性、農(nóng)田灌溉中的水分利用率等方面存在重要影響，是土力學(xué)和土壤學(xué)的重要研究方向。液體在材料表面的濕潤能力對材料保護、船舶防污等方面的理解存在重要意義[1-3]。接觸角大小的改變會造成土壤的斥水性隨之變化。土壤的斥水性可以減少土壤中的水分蒸發(fā)和保持其顆粒之間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4，5]。但是同時也會使土壤的滲透性降低而抑制作物的生長率[6-8]，還增加了地下水污染的可能性[9]，所以了解土壤的斥水性是實現(xiàn)土壤利用最優(yōu)化的重要因素。土壤斥水性的影響因素很多，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究探索。商艷玲[10]、陳俊英[11]和Diehl[12]等學(xué)者的研究表明：水質(zhì)、含水率、有機質(zhì)、pH值等因素均為土壤斥水性的主要影響因素。充分了解某一環(huán)境下土壤的斥水性的大小存在重要意義。

本文選取植被紅土和非植被紅土土樣，首先進行液塑限的測定，以判定土體類別；再對土體在電子天平上通過改進的Wilhelmy吊片法進行接觸角的測量。通過接觸角的大小來判定植被紅土和非植被紅土的斥水性，從而判定其土壤的滲透能力。

2 試驗方案及步驟

2.1 試驗用土

試驗用土取自云南農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)，其中植被紅土取自同心亭的松樹下，取土深度為距表層5 cm以內(nèi)；非植被紅土取自正在施工的基坑，取土深度為表層1 m以下，如圖1所示。將采回的原狀土樣碾散、曬干并過2 mm篩，試驗用土取其細粒部分。試驗用土的基本物理參數(shù)指標見表1。

表1 試驗紅土基本物理參數(shù)指標

土樣土粒相對密度Gs顆粒(mm)組成/%>0.050.05～0.005<0.005植被紅土2.8249.438.512.1非植被紅土2.8444.741.613.7

2.2 試驗方法及試樣制備

1)液塑限試驗方法及試樣制備。塑限的測定方法為原始的搓條法。將原狀土體調(diào)成硬塑狀態(tài)，然后用手掌將土體在毛玻璃板搓成直徑為3 mm的土條，若此時有橫向裂縫開裂現(xiàn)象，則此含水率即為塑限。液限的測定方法為液限儀法。將土體調(diào)成流塑狀態(tài)，用調(diào)土刀將土體裝入試樣盒(裝土盒)內(nèi)，在此過程中要保證土體間的緊密無縫，并保證土體之間不出現(xiàn)氣泡。在刮平的過程中只對試樣刮兩下，以防止多下刮磨使得試樣盒內(nèi)土體的含水率出現(xiàn)局部的不均勻現(xiàn)象。試樣制備完成后即可使圓錐儀從距試樣上表面3 cm左右處自由下落，若5 s錐尖上的黑劃線剛好沒入土體，則此時的含水率即為液限含水率。將滿足液限、塑限試驗條件的試樣最終取樣放入鋁盒內(nèi)，并放入烘箱內(nèi)，在105 ℃的溫度下，烘干8 h以上，以測其含水率。液限、塑限試驗各進行三組。2)接觸角測量方法及試樣制備。將植被紅土和非植被紅土放在電子天平上，通過改進的Wilhelmy吊片法進行接觸角的測量。首先準備好具有一定硬度的3.5 cm×2.0 cm矩形塑料片、雙面膠及不具有彈性的線制備待測薄板。將線的一頭固定于長為2.0 cm塑料片一側(cè)的邊緣處，然后將雙面膠貼于薄片兩側(cè)，并使其表面均勻沾滿待測土體。線的另一側(cè)固定于空載的直剪儀量力鋼環(huán)，以保證待測薄板可以勻速上升或下降。然后在帶有刻度的玻璃杯內(nèi)裝入10 cm的水作為測試液體。將玻璃杯放于電子天平上，在待測薄板進、出測試液體時，天平顯示的質(zhì)量差值即可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)土體進、出測試液體時所受的張力值。進而即可推出接觸角的大小。土體的試驗要重復(fù)進行3次，以減小誤差。

3 結(jié)果與分析

搓條法測得的塑限結(jié)果及液限儀法測得的液限結(jié)果見表2。

表2 植被紅土和非植被紅土液限、塑限測量結(jié)果 %

植被紅土和非植被紅土的液限、塑限值取三組測量結(jié)果的平均值。植被紅土的液限WL=57.3%，塑限WP=36.8%，由此可得塑性指數(shù)IP=20.5%；非植被紅土的液限WL=57.6%，塑限WP=37.2%，由此可得塑性指數(shù)IP=20.4%。由土體的分類標準可知，當土體的塑性指數(shù)IP>17%時即為黏土，則此試驗用土均為云南紅黏土。通過改進的Wilhelmy吊片法對土體進行接觸角測量的試驗結(jié)果如表3所示。植被紅土前進質(zhì)量差Δm前=0.2 g，后退質(zhì)量差Δm后=0.24 g。非植被紅土前進質(zhì)量差Δm前=0.22 g,后退質(zhì)量差Δm后=0.25 g。將質(zhì)量差換算為力差即為：植被紅土前進力差ΔF前=2×10-3N, 后退力差ΔF后=2.4×10-3N。非植被紅土前進力差ΔF前=2.2×10-3N，后退力差ΔF后=2.7×10-3N。

表3 改進的Wilhelmy吊片法測量結(jié)果 g

由Wilhelmy吊片法的試驗公式：

ΔF=L×γ1-g×cosθ

(1)

其中，ΔF為力差值；L為浸入液面以下深度；γ1-g為液體表面張力系數(shù)；θ為接觸角。

將所測植被紅土前進力差ΔF前=2×10-3N, 后退力差ΔF后=2.4×10-3N；非植被紅土前進力差ΔF前=2.2×10-3N，后退力差ΔF后=2.7×10-3N，浸入深度L=3.5 cm，水表面張力系數(shù)γ1-g=73×10-3N/m,代入式(1)，得出植被紅土前進接觸角θ前=38.5°，后退接觸角θ后=20.1°。非植被紅土前進接觸角θ前=30.6°，后退接觸角θ后=11.9°。由土壤學(xué)的相關(guān)知識可知，土體任意選取面的接觸角θ滿足：θ后≤θ≤θ前，所以試驗所用的植被紅土和非植被紅土屬親水性土體，水分在土體中的入滲率較高。同時可知植被紅土的接觸角較非植被紅土的接觸角大，說明植被對土體的斥水性存在影響。

4 結(jié)語

1)對試驗土體進行液、塑限的測量得出，試驗的植被紅土和非植被紅土均為云南紅黏土。2)通過改進的Wilhelmy吊片法測得試驗土體的前進接觸角和后退接觸角，從而判斷出，試驗用土為親水性土壤，具有較為理想的滲透能力，且植被對土體的斥水性存在影響。

[1] Santos，Mohamed，Bannwart，et al. Contact angle measurements and wetting behavior of inner surfaces of pipelines exposed to heavy crude oil and water[J]. JPetrol Eng，2006,51(1/2):9.

[2] Wouters，Ruiter. Contact-angle development of poly-mer melts[J]. Prog Org Coat，2003,48(2-4):207.

[3] Blake. The physics of moving wetting lines[J]. JColloid Interf Sci，2006,299(1):1-13.

[4] Mataix-Solera J.，Doerr S.H..Hydrophobicity and aggregate stability in calcareous topsoils from fire-affected pine forests in south-eastern Spain[J]. Geoderma，2004(118):77-88.

[5] Shokri N.，Lehmann P.，Or D..Characteristics of evaporation from partially wettable porous media[J].Water Resources Research，2009,45(2):2415.

[6] Hardie M.，Lisson S.，Doyle R.，et al.Determining the frequency，depth and velocity of preferential flow by high frequency soil moisture monitoring[J].Journal of Contaminant Hydrology，2013(144):66-77.

[7] Antonio J.，Lorena M. Z.，Alejandra L. N.，et al.Occurrence and hydrological effects of water repellency in different soil and land use types in Mexican volcanic highlands[J].Catena,2009(79):60-71.

[8] Diamantopoulos E.，Durner W.，Reszkowska A.，et al.Effect of soil water repellency on soil hydraulic properties estimated under dynamic conditions[J].Journal of Hydrology,2013(486):175-186.

[9] Blackwell P. S. Mangement of water repellency in Australia，and risks associated with preferential flow，pesticide concentration and leaching[J].Journal of Hydrology,2000(231):384-395.

[10] 商艷玲，李 毅，朱德蘭.再生水灌溉對土壤斥水性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012,28(21)：89-97.

[11] 陳俊英，吳普特，張智韜，等.土壤斥水性對含水率的響應(yīng)模型研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012，43(1)：63-67.

[12] Diehl D. Soil water repellency: Dynamics of heterogeneous surfaces[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects，2013(432):8-18.

Experimental study on contact angle measurement of vegetation red soil and non vegetation red soil

Dong Hongyan1Dai Qiliang1Wang Baolong1Gao Guiquan2Lei Tengyun1Song Yongzheng1

(1.YunnanAgriculturalUniversity，CollegeofWaterConservancy，Kunming650201，China2.YunnanAgriculturalUniversity，TechingAdministrationOffice，Kunming650201，China)

In this paper, a test was carried out on the vegetation red soil and non vegetation red soil in Yunnan Agricultural University, and the classification of soil and its contact angle range were determined. The results showed that the vegetation and non vegetation red soil were clay soil. The contact angle between the vegetation and non vegetation red soil was small, the two were hydrophilic soil, and the vegetation had a good effect on the water repellent properties of the soil, which was measured by the improved Wilhelmy method.

red soil, contact angle, liquid limit, plastic limit, penetration ability

1009-6825(2016)13-0075-02

2016-02-26

董紅艷(1990- )，女，在讀碩士； 代啟亮(1983- )，男，碩士，講師； 王寶龍(1990- )，男，在讀碩士；

TU411

A

高貴全(1968- )，男，教授； 雷騰云(1986- )，男，碩士，講師； 宋永正(1990- )，男，在讀碩士