За результатами названих вище методів створено різні класифікації ґрунтів. Це слід ураховувати аграріям, застосовуючи добрива та пестициди, норми яких розраховують з огляду на певні типи ґрунту за певною класифікацією. Однак існує метод визначення гранулометричного складу ґрунту, який дозволяє визначати як інтегральне розподілення, тік і розподілення частинок у межах установлених за будь-якою однією або кількома класифікаціями, яким є лазерна дифрактометрія. Цей метод новітній, тому потребує детального вивчення.
Слід зазначити, що кожна держава має власні стандартизовані методики визначення гранулометричного складу. Міжнародні стандарти ISO хоч і ухвалено, але не завжди їх застосовують у визначенні розміру частин ґрунту. В багатьох країнах світу проводять дослідження у порівнянні внутрішніх стандартів з міжнародними, часто застосовуючи лазерний дифрактометр. Згідно з ISO 13320:2020, техніка лазерної дифракції розвинулась так, що нині вона є домінантним методом визначення розподілення частинок за розміром.
Методи визначення гранулометричного складу ґрунту
В умовах постійної зміни клімату зростає необхідність у швидкісному, з недорогою собівартістю, методі визначення гранулометричного складу ґрунту.
Для швидкого визначення текстури в польових умовах застосовують органолептичні методи. Вони не потребують вкладання коштів, але є не точними й потребують досвідченого персоналу. В Україні найпоширенішими органолептичними методами є «сухий метод», суть якого полягає у розтиранні грудки ґрунту на долоні пальцями та, залежно від відчуттів, визначенні виду ґрунту (піщаний, суглинковий чи глинистий) і «вологий метод», за якого з вологого зразка ґрунту скручують дріт діаметром близько 3 мм і роблять кільце, за виглядом якого визначають механічний склад (пісок, супісок, легкий суглинок, середній суглинок, важкий суглинок, глина). Обидва методи за виконанням подібні до методів «відчуття» та «стрічки», що пропонує ФАО для описання ґрунтів у польових умовах, але інтерпретація різна, бо орієнтована на різні класифікації.
Звісно, польові методи дають тільки приблизне уявлення про текстуру ґрунту, точніше визначення розміру частинок визначають у лабораторних умовах.
За потрапляння зразка до лабораторії він проходить попередню обробку. Як в Україні, так і в багатьох країнах світу, ухвалено ISO 11277:2002 або ISO 11464:2006 (ДСТУ ISO 11464:2007), згідно з яким зразки висушують на повітрі або в печі за температури, що не перевищує 40 °С до повітряно-сухого стану. Після цього застосовують різні методи визначення розміру частин ґрунту.
Ситовий метод застосовують тільки для визначення розміру частинок, що затримуються на ситі з діаметром отворів від 125 до 0,02 мм. Цей спосіб переважно для піщаних зразків і за видалення піску з ґрунту. Він базується на простих принципах і легкий у використанні, але якщо частинки мають голчасту або витягнуту форму, то механічний рух під час просіювання впливає на повторюваність і відтворюваність результатів, що зумовлює похибку вимірювання. Недоліком також є те, що цей метод не дозволяє вимірювати глинисті та мулисті частинки ґрунту, діаметр яких переважно менший за 0,02 мм. Просіювання проводять за допомогою сертифікованого набору калібрувальних сит, залежно від потрібних розмірів фракцій і класифікації текстури ґрунту.
Найточнішими вважають методи, що базуються на мікроскопії, які дозволяють безпосередньо спостерігати за частинками й визначати форму та розмір. Оптичну мікроскопію найчастіше застосовують для дослідження частинок від 3 до 150 мкм. Електронна мікроскопія потребує складної пробопідготовки, а в оптичному мікроскопі можливо розглянути тільки обмежену кількість частинок і потребується досвідчений персонал для підрахунків. Цей метод переважно застосовують для встановлення морфології ґрунту.
Найпоширенішими є седиментаційні методи, що засновані на законі Стокса і поділяють на піпетковий й аерометричний. Розмір частинок беруть як сферу, що має «стоксовий діаметр» — частинка має таку саму швидкість седиментації, що і сферична частинка певного діаметра з визначеною щільністю. Однак частинки мулу та глини не є кульоподібними й переважно мають пластинчасту або голчасту форму. Седиментаційні методи придатні для фракцій мулу та глини, але не застосовуються для фракції піску. Тому перед аналізуванням проводиться руйнація агрегатів до елементарних частинок і видаляються піщані частинки шляхом вологого просіювання. Це трудомісткі методи, що потребують визначення питомої ваги або щільності твердої фази ґрунту, гігроскопічної вологи, розкладання органічних матеріалів (триватиме від 1 доби), видалення карбонатів і розчинних солей, дезагрегацію, а також проведення вимірювання щільності суспензії або відбирання проби суспензії залежно від часу осідання частинок, що може тривати до 34 год (ДСТУ 4730:2007). На точність визначення розподілення частин по фракціях суттєво впливає постійність температури суспензії, яку важко підтримувати протягом більш ніж 12 год.
Починаючи з 1980-х років на ринку з’явилися лазерні дифрактометри, які вимірюють діаметр частинок на основі законів оптики (заломлення, поглинання та відбиття променю), дифракції світла.
Лазерно-дифракційний метод (ЛДМ) визначення розміру частин ґрунту набуває все більшого поширення у світі, оскільки має переваги над стандартизованим сито-піпет методом. ЛДМ дозволяє вимірювати діаметр частинок у широкому діапазоні від 0,01 до 3500 мкм (залежить від будови приладу). Вплив температури навколишнього середовища й оператора (за правильного налаштування дифрактометра) на результати вимірювання є мінімальними, на відміну від пікет-метода, де температура та щільність твердої фази ґрунту відіграють суттєве значення й похибка за відбирання однієї з фракцій спотворює результати розподілення всіх фракцій.
Як й інші способи, визначення гранулометричного складу ґрунту за допомогою лазерного дифрактометра потребує попередньої підготовки зразка, але нині загальноприйнятого способу не існує. Тому найчастіше застосовується аналогічна до седиментаційних методів пробопідготовка ґрунту.
Видалення органічної речовини проводять за допомогою 30% перекису водню протягом різного часу (від 24 год до 15 діб). У деяких методиках ця процедура не передбачається. Процедуру видалення карбонатів найчастіше проводять і використовують розбавлену соляну кислоту, інколи буферний розчин ацетату натрію або оцтову кислоту. Для запобігання флокуляції як реагент під час вимірювання як седиментаційними методами, так і лазерно-дифракційним, застосовують розчин гексометофосфату натрію (NaPO3)6, розчин 0,05 М поліфосфату натрію (сіль Грема (NaPO3)n), 3,6–5,0%-й, розчин пірофосфату натрію Na4P2O7 × 10H2O. В Україні згідно з ДСТУ 4730:2007 видаляють карбонати розчином соляної кислоти, а також для дезагрегації зразок кип’ятять у дистильованій воді з додаванням 4–5 см³ розчину гідроксиду натрію.
Для дезагрегації ґрунтів у лазерній дифрактометрії також застосовують ультразвук із різною потужністю в поєднанні з пептизуючою речовиною або тільки ультразвук. Оскільки ґрунти мають різну міцність агрегатів, то недостатня потужність ультразвуку може не призвести до повної їх руйнації до елементарних частинок або навпаки — занадто висока потужність призведе до руйнації елементарних частинок. Тому застосовуючи ультразвук, необхідні додаткові дослідження.
Висновки
У виборі способу визначення гранулометричного складу ґрунту слід ураховувати мету та цілі дослідження, адже кожен із методів має переваги й недоліки та розрахований для певного діапазону вимірювання діаметра частинок. Огляд світової літератури показує різноманіття класифікацій і підготовки проб до аналізування для одного й того самого методу, що ґрунтується на одних засадах (просіювання, седиментації або дифракції та розсіюванні світла). Зіставляючи дані, одержані класичними методами, з даними лазерної дифракції, у більшості випадках вони різняться й потребують кореляції. Відповідно до публікацій щодо ЛДМ, країни не поспішають відмовлятися від внутрішніх стандартів, але триває робота із зіставляння та визначення різниці між даними, одержаними за неоднакової підготовки проб до аналізування (застосовували різні стандартні методи та класифікації) за допомогою ЛДМ.
Надія ВИНОКУРОВА, провідний інженер лабораторії
інструментальних методів дослідження ґрунтів ННЦ
«Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О. Н. Соколовського»,
м. Харків
