ТЕОРИЯ АГРЕГАЦИИ ПОЧВ

В перечисленных выше работах по агрегации почв и грунтов всегда в той или иной форме давалось освещение теории агрегации, но высказывания по этому вопросу мы находим в большом числе и других работ.

Митчерлих (106) указал, что наилучшее образование комковатой структуры происходит в том случае, когда почва содержит столько воды, сколько нужно для того, чтобы смочить поверхность почвенных частиц. По Наттингу (122) почвенные частицы и агрегаты связывает тонкая водная пленка, причем сцепление частиц зависит от размеров их и может достигнуть значительной величины. Аналогичные взгляды высказывал также Сирль (121). Пигулевский (79) отмечал, что действие воды может выявить тенденцию почв к конгломерированию при полном отсутствии в почве цементирующих веществ или даже мелких частиц с диаметром lt;0,001. Действие это, по его мнению, основывается на смачивании водой минералогических отдельностей, на сближении их, благодаря поверхностному натяжению воды, и на сжатии атмосферным давлени ем при ее высыхании. В раздельночастичных песках, благодаря этой сумме причин, осуществляется конгломерирование минералогических отдельностей, причем конгломераты способны выдерживать даже некоторое механическое воздействие, но новое увлажнение без всякого труда разрушает это конгломерирование, которое Пигулевский предложил назвать механическим конгломерированием элементов. Вода играет, конечно, весьма большую роль и при наличии в почве продуктов диспергации,

коллоидных и прочих веществ, обладающих свойствами цементов, но здесь ее роль заключается в приведении цементов в то состояние, при котором они смогут сделаться цементами. В дальнейшем же свойства цедгентации обусловливаются уже индивидуальными свойствами самих этих цементов (79, стр. 24).

По Павлову (76), прочность структуры при капиллярном насыщении ее водой осуществляется силами поверхностного натяжения водной пленки, пронизывающей все капиллярные промежутки комков почвы.

В 1931 г. была опубликована сводка Эренберга (106) по вопросам структурообразования почв, в которой он, сосредоточив свое внимание в основном на роли в структурообразовании коагуляции и поглощения катионов, затронул попутно также вопрос о роли в связывании почвенных частиц водной пленки. Наглядным примером влияния воды, смачивающей почву, по ¦Эренбергу, может служить детская игра песком, при которой сухой, рассыпающийся песок превращается, благодаря увлажнению, в массу, сохраняющую форму. Причиной этого является стремление всякой водной поверхности занять возможно меньший объем в силу действия поверхностного натяжения. Естественно, что прочность подобного соединения частиц незначительна, и не только высыхание, но и увеличение содержания воды свыше определенного предела должно разрушить образовавшиеся таким образом комочки. Тем не менее Ширинг, изучавший эти явления, установил, что в соответствующих условиях уплотненные водные пленки могут держаться между отдельными зернами до 12 и более дней.

В 1932 году, как мы видели, Слифер (123) подробно развил положение о том, что «эффективность обработки почвы в смысле создания структуры зависит от содержания влаги в почве» и что «влажность почвы является ключом для создания структуры». Точно так же Нортон (122) писал, что в образовании структуры глин решающую роль играет водная пленка, а Мейнгольд определил силу сцепления частиц, как функцию жидкого кольца между ними.

Таким образом, еще до появления первых экспериментальных работ по агрегации почвенных частиц имелось большое количество высказываний об исключительной роли в процессе агрегации водных пленок и гидратации. Меньше подобных высказываний имелось по вопросу о роли давления в агрегации почвенных частиц. Первые опыты в данном направлении были произведены Фадеевым при участии Вильямса Как указывает Вильямс, «очень часто свойство прочности почвы, т. е. ее не- размываемость ’¦водой, смешивают с сопротивлением комков почвы раздавливанию, или со свойством, которое носит название связности и которое поедставляст способность почвы сопротивляться силам, стремящимся механически разъединить слагающие комок частички.

сцеплением и на производственном языке носит название связности.

Последняя представляет свойство огромной производственной важности, и она неразрывно связана с прочностью почвы. Почва структурная, комковатая в массе совершенно не обладает связностью, хотя каждый комок структурной почвы может обладать связностью в высшей степени ее выражения, вследствие того, что он сильно уплотнен давлением корневой системы (курсив наш.—Д. В.). Насколько сильно влияние уплотнения и влажности на величину связности, показывает опыт проф. А. А. Фадеева.

Но вся масса почвы, состоящая из отдельных комков, никакой связностью не обладает, так как сцепление, причина связности, проявляется только при очень тесном соприкосновении (курсив наш.—Д. В.). Даже волосные промежутки, разделяющие комки в местах их соприкосновения, слишком широки для выявления сцепления. Масса почвы обладает связностью только в случае раздельночастичного состояния. Все частички тогда под влиянием веса и воды пришли в ближайшее соприкосновение» (25, стр. 287).

Далее, после изложения результатов исследования причин прочности почвы, Вильямс указывает, что «попутно из тех же опытов получился очень важный вывод. Оказалось, что механические элементы почвы крупнее 0,001 мм совсем не обладают связностью. Шарики и призмы, сформованные во влажном состоянии из всех групп механических элементов, кроме ила «0,001 мм), по высыхании или рассыпаются сами по себе, или от малейшего прикосновения. И только достигнув крупности 0,001 мм, сразу, скачком, приобретают связность в ее максимальном выражении.

Дальнейшие опыты проф. А, Н. Сабанина показали, что связность механических элементов не зависит от состава их, а определяется только степенью их измельчения (курсив наш —

Д. в.).

В одном из своих опытов Сабанин показал, что если взять чистый горный хрусталь (кристаллический кварц) и измельчать его путем накаливания докрасна и быстрого охлаждения в ледяной воде, и если полученный порошок разделить на механические элементы и из последних во влажном состоянии скатать шарики, то шарик, скатанный из частиц в 0,001 мм, обладает настолько большой связностью, что его можно бросать и мять в руках, не рискуя раздавить.

Таким образом, Вильямс впервые указал, что образование

связности почвенных агрегатов — результат действия двух факторов: влажности и давления. При раздельночастичном состоянии почвы связность возникает во всей почвенной массе, частички которой под влиянием веса (давления) и воды приходят в тесное соприкосновение. При структурном состоянии уплотнение почвы производится давлением корневой системы, которая одновременно раскалывает почвенную массу на структурные агрегаты. Этот последний процесс Вильямс описывает следующим образом.

«Корни рыхлокустовых злаков густой сетью пронизывают гею почву... При своем развитии более крупные корни оказывают равномерное давление на массу почвы и уплотняют ее по всей своей длине, уменьшая расстояние между агрегатами... По мере дальнейшего развития рыхлокустовых злаков их корна все чаще развиваются по старым корневым трубочкам, заполненным потерявшим тургор веществом отмерших корней. Эти трубочки представляют пути наименьшего сопротивления почвы развитию корней. Давление на стенки трубочек, которое оказывает утолщение корней во время роста, возрастает с каждым новым поколением корней, так как трубочки все больше заполняются неизбежно остающимися мертвыми органическими остатками.

Наконец, почва в промежутках между корнями достигает максимального уплотнения и при малейшем давлении начинается уже растрескивание всей массы почвы по поверхностям наименьшего сопротивления, положение которых определяется бесчисленными пересекающимися корневыми трубочками. К тому же и давление исходит из трубочек, давит развивающиеся в трубочках корни и давит набухающее при смачивании органическое вещество. Наконец, вся масса почвы разделяется на многогранные отдельности, комки, состоящие из комплексов агрегатов, частички которых связаны суспензоидами и прочно сцементированы в комки аморфным перегноем. Почва приобрела во всей массе прочную комковатую структуру»              (25,

стр.

Таким образом, по Вильямсу, образование прочной комковатой структуры и в природных условиях — результат в основном уплотнения почвы, производимого давлением развивающихся в почве корней растений и отчасти также давлением набухающего органического вещества. Совершенно понятно, что этот процесс уплотнения почвы может происходить только в условиях соответствующей влажности, когда корни получают достаточно воды для своего роста и утолщения. Минеральные же сgt;спензоиды и аморфный перегной почвы являются лишь тем цементом, который в условиях надлежащей влажности и давления связывает механические элементы почвы, что при последующем ьысыхании почвы приводит к образованию прочных структурных агрегатов.

Эти положения Вильямса о роли влажности и давления в образовании почвенной структуры нашли полное подпшрждс- ние в дальнейших исследованиях и неизменно повторяются п последующих работах по структуре.

Так, по мнению Гедройца, в образовании структуры решающую роль, повидимому, играют два фактора — давление и коагуляция, «Вопрос о роли первого фактора в структурообразо- вании является открытым: можно только думать, что участие корневой системы растений в структурообразовании обусловли сается в значительной степени давлением корней на почву.

В частности, данные Носовской опытной станции дают основание утверждать, что под влиянием даже однолетней культуры клевера бесструктурные черноземы Днепровского ледникового языка приобретают структуру, сохраняющуюся некоторое время и под последующими растениями» (26, стр. 125).

Такие же взгляды на роль давления развивает и Тюлин (89), по мнению которого причина благоприятного действия давления на структурообразование лежит в упругих свойствах тонких слоев воды на поверхности коллоидов. Чтобы проявилось цементирующее действие водных пленок, надо, чтобы коллоиды пришли в наиболее тесное соприкосновение друг с другом. Это относится и к тонким почвенным гелям после их коагуляции. Мешает проявлению цементирующих свойств тонких водных пленок на поверхности почвенных коллоидов избыток воды внутри самого геля. Поэтому высыхание является первой стадией цементации: при высыхании начинается контракция, сближение частиц, вследствие чего вся масса морщится, дает трещины, а у сблизившихся частиц вполне проявляется цементирующее действие упругих тонких слоев воды на поверхности коллоидов. Но, — как указывает Тюлин, — «обшая поверхность соприкосновения отдельных гелей, микроагрегатов, при одном высыхании остается далеко не полной. Гораздо больше будет поверхность соприкосновения гелей и микроагрегатов, если при высыхании, по мере удаления свободной и слабо связанной воды мы будем механически сближать сгустки почвенных коллоидов (курсив наш. — Д. ВJ. К этому и сводится положительное значение давления, как фактора структурообразования». Потому-то только влажные почвы при прессовании дают эффект, сухие же почвы положительного эффекта не дают.

Касаясь вопроса о том, как создается в почве давление, Тюлин пишет: «Многие авторы приписывают давление корневой системе растений. Не отрицая данного момента, я все же думаю, что гораздо большее значение имеет другой момент, а именно набухание самих коллоидов, особенно органических... Разумеется, что и непосредственно давление верхних слоев на нижние тоже имеет место. Исследуя количество водоупорных агрегатов своим методом в разных горизонтах профиля одного чернозема, я нашел, что количество водоупорных агрегатов на глубине 1 метра, где было уже очень мало гумуса, почти равно количеству водоупорных агрегатов в самом верхнем слое. В средних слоях водоупорных агрегатов больше, чем в верхнем» (89, стр. 11).

Существующие теории клеющих свойств коллоидов, по мнению Тюлииа, мало подходят к цементирующим свойствам почвенных коллоидов. «Известно, — пишет он, — что цементирующие свойства у почвенных коллоидов проявляются и после их коагуляции, т. е. в состоянии гелей. Так, Демолон и Энен, чтобы получить более крупные агрегаты, подвергали гели высушиванию. В своих опытах я также убедился, что только после высушивания тонкодисперсные гели переходят в агрегаты, включающие в себя сцементированные механические элементы. Другими словами, для цементации почвенные коллоиды вполне пригодны и в виде гелей, необходимо только дальнейшее высыхание их после коагуляции» (89, стр. 9. Курсив наш. — Д. В.).

Таким образом, как видим, еще до появления изложенных выше экспериментальных работ по исследованию процесса агрегации почв в литературе имелся ряд общих указаний о роли и значении в этом процессе влажности и давления. После же установления основных закономерностей, которые наблюдаются в процессе агрегации, теория процесса, естественно, стала приобретать более четкие очертания.

По мнению Охотина, «капиллярные силы, вызывающие уплотнение грунта, не изменяют взаиморасположения частиц, уплотнение же грунта нагрузками, соответствующими влажности, изменяет взаимное расположение частиц, переводя их из хаотического состояния в более устойчивое, и тем содействует большей связности грунта» (74).

Близкие взгляды высказывают Вершинин и Константинова (11), по мнению которых «механическое воздействие на почву обусловливает изменение упаковки частичек в сторону более совершенной укладки. Этому способствует влажность, ведущая к набуханию почвенных гелей, в силу чего частицы начинают скользить в точках соприкосновения и более совершенно упаковываться. Но влажность благоприятствует упаковке лишь до определенного момента: излишнее набухание гелей значительно раздвигает почвенные частицы. Ориентированные слои воды, обладая упругостью, не позволяют частицам сблизиться, и при испарении воды частицы оказываются рыхло упакованными». Таким образом, по мнению этих авторов, роль давления сводится к сближению частиц и такому уменьшению расстояния между ними, при котором начинает сказываться действие связывающих тонких гелеобразных прослоек. Действие же воды состоит в «возбуждении» этих прослоек.

В природных условиях почвенные частицы имеют неровную поверхность, которая при высыхании занимается воздухом, мешающим частицам слипаться; поэтому слипание может осуществляться лишь при наличии воды. Поглощенные катионы увеличивают силу прилипания частиц в направлении

lt;Ха‘lt; К’ lt;^Na . Введение органического вещества также увеличивает силу прилипания почвенных частиц. Максимум прилипания наблюдается при введении органического вещества в почву в количестве 3—5%.

Водопрочность почвенных агрегатов определяется преимущественно органическим веществом, причем наибольшую роль в данном отношении играет гуминовая кислота. Влияние на водопрочность поглощенных оснований тесно связано с величиной pH. При pH, близкой к нейтральной, одновалентные катионы — калий и натрий — дают большее число водоустойчивых агрегатов, чем двувалентный кальций и близко стоящий к нему в лиотропном ряду — водород. Уплотнение почвы усиливает действие органического вещества и влияние поглощенных катионов.

Благодаря применению уплотнения, водопрочность распыленных и затем агрегированных при определенной влажности структурных элементов во всех случаях восстанавливалась (13).

Близкую точку зрения высказывает и Антипов-Каратаев (3). «В самые последние годы, — пишет он, — было найдено, что при определенных степенях влажности почвы обработка ее приводит к образованию благоприятной агрономической структуры (спелость почвы). Полученная таким образом структура оказывается достаточно устойчивой и при других состояниях влажности почвы. Следовательно, она обладает в некоторой степени свойством необратимости (Виленский). Нужно полагать, что оптимальная для структурообразования степень влажности почв в таких случаях является своего рода «застрельщиком», обеспечивающим достаточное сближение частиц для последующих реакций на поверхностях других склеивающих веществ».

По Энену (109), коллоидные мицеллы почвы .обладают определенным количеством связей, которые по мере удаления воды при высыхании и сближении мицелл вызывают сцепление частиц в агрегаты. Поглощенные катионы в зависимости от степени их гидратации понижают или повышают действие воды. Полная гидратация мицелл соответствует образованию наибольшего количества связей. Внесение диспергированного гумуса, увеличивая гидрофильность почвы, способствует образованию прочных агрегатов. Давление, способствуя увеличению контакта водных пленок, увеличивает прочность структуры. Наиболее прочные агрегаты образуются, если давление производится при оптимальной влажности агрегации.

Веселовский и Перцов (14), исследуя связь между механическими свойствами глины и ее агрегативным состоянием, пришли к предположению, что лиосферы имеют сложную структуру и состоят из нескольких слоев. «Только внешний слой защищает частицы от слипания. Когда же он разрушается, то следующие за ним слои, благодаря тенденции к слиянию

гgt; Д Г. Виленский              65

друг с другом, осуществляют слипание частиц, которое сопровождается образованием общей сольватной оболочки» (14, стр. 473).

Перцов, на основании измерения предельного напряжения сдвига и максимальной непрерывной деформации при различных содержаниях воды в глиняном тесте, следующим образом представляет механизм агрегации частиц глины.

«В разбавленной суспензии частицы глины почти не взаимодействуют друг с другом; они свободно плавают в жидкости, лишь изредка соприкасаясь периферическими частями своих лиосфер. Система в таком состоянии обладает очень небольшим предельным напряжением сдвига. По мере увеличения концентрации глины, количество несвязанной воды уменьшается и лиосферы частиц приходят в более тесное соприкосновение. Однако при этом каждая частица имеет еще свою собственную оболочку и связность системы невелика. Чтобы вызвать дальнейшее сближение и более сильное слипание частиц, необходимо приложить некоторое усилие для преодоления давления набухания. Это усилив получается при дальнейшем обезвоживании за счет капиллярного давления, действующего на внешнюю поверхность глиняного теста. Под влиянием капиллярною давления частицы сближаются и их лиосферы сливаются; образуются общие сольватные оболочки сначала для групп частиц, а потом и для всей системы. Это тотчас сказывается на резком увеличении предельного напряжения сдвига» (78, стр. 477—478).

Интересная точка зрения на процесс агрегации глин была высказана Рэсселем (118). По мнению этого автора, глинистые частицы соединяются в агрегаты при посредстве ориентированных молекул полярной жидкости, например воды, являющейся дисперсионной средой. Полярные молекулы расположены между отрицательными зарядами поверхности глинистых частиц и положительными диссоциированных катионов и строго ориентированы в электростатическом поле между зарядами. Таким образом, цепь, соединяющая две глинистые частицы, состоит из трех частей, связывающих отрицательные заряды частиц:              ориентированные молекулы — обменный ка

тион— ориентированные молекулы (рис. 30).

Прочность этой цепи определяется по Рэсселю следующими условиями:

1% Электростатическим полем вокруг свободных зарядов. Чем меньше размер и выше заряд катиона, тем сильнее электростатическое поле вокруг него. Относительно электростатического поля, образующегося вокруг отрицательных зарядов глинистых частиц, пока ничего неизвестно.

2. Размером и электрическим дипольным моментом составляющих цепь молекул. Чем выше дипольный момент и чем строже ориентированы молекулы в электростатическом поле, тем более сближены и прочнее связаны друг с другом молеку-

ИСПРАВЛЕНИЕ

На стр. 07, между строками 0—7 снизу, пропущена строка: Гидрофильность основных почвенных компонентов выражается,

Д. Г. Виленский — «‘Агрегация почв, ее теория и практическое приложение».

лы своими противоположно заряженными полюсами, чго обусловливает и прочность всей цепи молекул.

3 Количеством молекул в цепи. По мере уменьшения количества молекул в цепи, вызванного подсыханием, возрастает напряжение электростатического поля в цепи и потому увеличивается прочность цепи.

На основании приведенных выше данных и работ нашей лаборатории, в частности И. М. Горьковой (32), процесс агрегации почвенных частиц при перемешивании и уплотнении почвы в настоящее время представляется следующим образом. В нем можно различать несколько этапов: гидратация коллоидных частиц при смачивании почвы; образование связи между частицами при посредстве облекающей их водной пленки; правильное взаиморас- • положение частиц, сопровождающееся сближением и более плотной упаковкой их при перемешивании или уплотнении почвы; дальнейшее сближение частиц и образование ориентированных связей при подсыхании почвы; переход этих связей в сцепление частиц при высыхании почвы.

Как известно, твердая фаза почвы состоит из кристаллических обломков минералов, образующих более крупную (1000р.—ip.) скелетную ее часть и органоминеральных коа- гелей. Последние покрывают поверхность первых, а также размещены между ними в форме прослоек разной толщины. Поэтому гидрофильность почвы определяется в основном содержанием в ней и гидрофильностью почвенных коагелей. Показателем гидрофильности твердого тела могут быть явления смачивания его поверхности, б частности теплота смачивания, по Чапеку (95), следующими величинами (табл. 4а).

Таким образом, компоненты почвы по гидрофильности (можно расположить в такой ряд:

гумус R2 0^ Si 02.

По современным представлениям минеральная часть поц^_ венных коллоидов состоит из кристаллических глинистых ми-

Таблица 4а

Гидрофильность основных почвенных компонентов (по Чапеку)

нералов и возможно также, что кристаллическое строение имеет и некоторая часть органических коллоидов. Поэтому гидрофильность их будет определяться не только составом, но ь первую очередь кристаллической решеткой, характером поверхности и составом адсорбированных нонов.

Согласно новейшим исследованиям Седлецкого (83) и др., наиболее характерным коллоидным минералом всего ряда степных почв является монтмориллонит, а лесных подзолистых Почв (гор. А2) —каолинит. По Гофману, монтмориллонит обладает подвижной решеткой, пакеты которой при впитывании воды раздвигаются по направлению оси С на расстояние, зависящее от количества поглощенной воды, с чем связана способность минералов этой группы набухать в указанном направлении. Каолинит и близкие к нему глинистые минералы этой способностью не обладают. Разный характер взаимодействия двух указанных важнейших коллоидных минералов почв с водой, возможно, в значительной степени определяет различную способность к агрегации двух основных типов почв— черноземного и подзолистого.

Не меньшее значение имеет количественный и качественный состав органических коллоидов почвы. К сожалению, их взаимодействие с водой исследовано слабо и соответствующие данные имеются преимущественно для торфа.

По Думаискому и Чапеку (45), в торфе можно различать четыре группы категорий воды:              а) химически связанную,

б)              физически связанную, в) осмотическую и г) свободную.

Химически связанная вода аналогична воде кристаллогидратов.

Физически связанная вода представлена главным образом водой ориентированной, плотность которой уменьшается в направлении от поверхности к периферии. «Первый слой ориентированной воды, взаимодействующий непосредственно с поверхностью, можно рассматривать как плотно ориентированный или как адсорбционный. Следующие слои составляют слабоориентированную или диффузную воду. Ионы диффузион- ього слоя как бы погружены в диффузную воду, причем часть последней взаимодействует с ионами (ориентирована последними) . Слабо ориентированная вода является переходной категорией к следующим категориям воды» (45, стр. 95).

Осмотическое впитывание воды торфом, по Думанскому и Чапеку, связано с тем, что «часть растительных клеток, нужно полагать, сохранилась в такой степени, что может являться мембраной и при соответствующих условиях осмотически впитывать и отдавать воду». Но осмотическое впитывание «может происходить также в силу Доннановского распределения ионов в мицеллярном и межмицеллярном растворе. Количество осмотически впитанной воды в этом случае должно быть прямо пропорционально степени диссоциации адсорбированных ионов и обратно пропорционально концентрации электролита в межмицеллярном растворе».

Свободная вода по своим физическим свойствам также неоднородна: «Нужно различать воду ультрапор, воду тонких капилляров и воду некапилляров. Вода ультрапор от 10"7 до 10”5см обладает наименьшей подвижностью и имеет физические свойства, приближающие ее к физически связанной воде. Она неподвижна под влиянием силы тяжести и мало подвижна под влиянием капиллярных сил.

Вода тонких капилляров от 10-й до 10"1 см имеет также малую подвижность, но уже значительно большую, чем вода ультрапор. Эта вода более подвижна под влиянием капиллярных сил и менее подвижна под влиянием силы тяжести.

Вода некапилляров 10 _1 см передвигается хорошо под влиянием силы тяжести и слабо — под влиянием капиллярных * сил» (стр. 96).

Эти представления о категориях воды в торфе могут быть отнесены и к почве, в которой, по Чапеку, можно различать следующие категории связанной воды: 1) химически связанная вода (вода гидратов и кристаллогидратов); 2) физически связанная вода, состоящая из а) адсорбционной воды (первый молекулярный слой), близкой к кристаллогидратной, и б) слабо ориентированных молекул воды (Следующие за одномолекулярным слоем более «рыхлые» слои);              3) осмотическая вода,

ориентированная в силу Доннановского равновесия.

Вопрос о гидратации ионов разработан недостаточно, и соответствующие данные, имеющиеся в литературе, разноречивы.

По данным Вигнера, при полной гидратации иона на один эквивалент его приходится следующее количество молей воды:

Na              Са‘*              К              Н

18,0—18,4              14 Л              11,5—11,6              1,0

Антипов-Каратаев (3), исследуя пикнометрическим методом сжатие системы почва — вода, в зависимости от состава

адсорбированных катионов, показал, что сжатие следует подобному же лиотропному ряду:

Li' = Na’gt; К‘gt; Н\* Mg"gt; Са".

Влияние адсорбированных ионов на гидрофильность осложняется еще тем, что оно зависит не только от их гидратации, но также от свойств поверхности самого адсорбента (100).

По исследованиям Горьковой (32), гидрофильность почв связана не только с адсорбированными ионами, цо и адсорбированными диполями. Особенно важно значение диполей в почвах, богатых органическим веществом, где поверхностноактивные вещества играют большую, если не решающую роль.

Когда поверхность всех почвенных частиц будет смочена водой, почва приобретает свойство пластичности, которое, по Лазареву (66), характеризуется тем, что «жидкость, находящаяся между зернами пластического вещества и подвергающаяся влиянию огромных капиллярных сил и сил адсорбции, находится в состоянии сильного сжатия. Мы имеем в этом случае такое состояние вещества, какое получилось бы, если бы вязкая жидкость заполняла поры между зернами вещества».

Как указывает Дерягин (38), особенно большое значение для явлений пластичности глин и других минеральных суспензий имеют механические свойства тонких слоев жидкостей. «Слои жидкости, прилегающие к поверхности твердого тела или заключенные между двумя такими поверхностями, — пишет он, — находятся в особом состоянии, отличном от состояния жидкости «в массе». Одним из свойств, характерных для этого состояния, является аналогичное твердым телам сопротивление, оказываемое деформации сдвига и, следовательно, наличие модуля сдвига (упругости формы) и предела текучести... Благодаря обнаруживаемым тонким слоям упру- гости и прочности глина в целом не расплывается, сохраняя приданную ей форму. По отношении же больших деформаций глина обнаруживает относительно слабое сопротивление, благодаря, быть может, смазочному действию воды, уменьшающему трение между кристаллическими чешуйками».

Как мы уже видели, близость оптимальной влажности агрегации к‘ границе прилипания свидетельствует о том, что в интервале влажности, обусловливающем агрегацию, в почве содержатся все категории воды, за исключением гравитационной. Возможно, что наибольшую роль в этом процессе соединения частиц водной пленкой играет вода осмотическая. Об этом свидетельствует прежде всего то, что те системы, в которых осмотическая вода не выражена (кварцевый песок, каолинит), не проявляют ни пластичности, ни прочной агрегации. Точно так же возможность ослабления или прекращения агрегации путем дегидратации почвы спиртом и солевыми растворами тоже свидетельствует об осмотической природе наиболее активно действующей в процессе агрегации категории воды.

Возникающее при гидратации набухание и давление вносит при смачивании новый фактор, чрезвычайно существенно влияющий на весь ход агрегации. Давление набухания приводит прежде всего к уменьшению диаметра капиллярных пор и, следовательно, к увеличению капиллярного давления внутри пор. Вместе с тем оно приводит к перемещению частиц по линиям наименьшего сопротивления и в результате — к более совершенной «упаковке» частиц. В данном отношении его действие приближается к действию искусственной обработки почвы — перемешиванию, уплотнению, являющимся одним из важнейших факторов агрегации.

Как известно, величина набухания тесно связана с составом адсорбированных ионов и является показателем гидро- фильности почвы. Так, например, в опытах Шарова бентонит с разным составом адсорбированных катионов связывал при набухании следующие количества воды:

Значение уплотнения почвы или грунта в определенном интервале влажности состоит в вызываемом им перемещении частиц внутри грунтовой массы, которое приводит к уничтожению пустот и более тесному и правильному расположению частиц по отношению друг к другу. Особенно это относится к тонким коллоидным частицам, активированным гидратацией и набухшим частично даже неограниченно, т. е. с образованием коллоидного раствора. Последнее зависит от степени гидратации адсорбированных ионов, в частности наиболее резко проявляется в почвах и грунтах, содержащих обменный №*. Вследствие давления вокруг частиц и между ними создаются тонкие пленки золя и в то же время более правильно размещаются 'набухшие прослойки коагеля. Подобное влияние давления облегчается смазочным действием тонких слоев воды. Как показали Дерягин и Лазарев (43), под действием смазки. водой коэффициент трения слюды по слюде понижается от 1 до 0,2 и даже ниже. Вода на слюде ведет себя как сильное смазочное средство. Для того чтобы трение сразу же понизилось, достаточно капли воды, помещенной у края меньшего листка слюды; очевидно, сначала капля втягивается капиллярными силами между слюдяными листками, а затем их раздвигает и образует слой смазки между ними. Так как это происходит очень быстро (lt;Ч сек.), то можно думать, что образуется поли- молекулярный слой смазки... Оказалось (40), что такой смазочный слой выдерживает в зависимости от своей толщины

(доходящей для малых давлений до 1—2 ji) до десятков и сотен грамм на квадратный сантиметр.

«Таким образом, — говорит Дерягин, — было установлено, что тонкие слои жидкостей даже в толщинах, во много раз превышающих размеры молекул, обладают особыми свойствами, не выжимаясь под действием давления на поверхности, ими разделенные.

Здесь мы, повидимому, имеем особый механизм смазки. Трудно сказать, имеется ли для воды ориентация слоев на поверхности слюды, во всяком случае правильную ориентацию для всей толщи слоя воды предполагать мало вероятно. Таким образом, смазочное действие здесь, повидимому, обусловливается не слоистой структурой смазочного слоя, а его способностью развивать некоторое противодействие, препятствующее его выдавливанию» (39, стр. 30).

Совершенно понятно, что смазочное действие воды может проявиться лучше всего при определенной толщине водных пленок и прослоек между - частицами. При недостаточной толщине пленок, когда вода в них находится в сжатом, связанном состоянии, потребуются большие усилия для преодоления сопротивления этих слоев воды деформации сдвига, причем, чем меньше будет влажность, тем менее эффективно будет приложенное давление. Но во всяком случае, как мы видели, значительное повышение давления может до некоторой степени компенсировать недостаток влаги.

Значительно менее эффективным будет давление с повышением влажности до появления между частицами свободной воды. Увеличение толщины водных слоев приведет к пептиза- ции и диспергированию частиц, а давление будет выжимать эти частицы в свободную воду и тем самым снова переводить их в беспорядочное, хаотическое состояние.

Очевидно, оптимальная влажность агрегации соответствует такому состоянию тонких слоев жидкости между частицами почвы, при котором создаются наилучшие условия их смазочного действия. Эффект, подобный давлению, можно получить с меньшей затратой усилия путем перемешивания почвы в интервале влажности агрегации. Перемешиванием создаются условия наилучшего распределения воды и коллоидных пленок вокруг частиц, вследствие чего возникает необходимый контакт между частицами без значительного уплотнения почвы. Поэтому с агрономической точки зрения обработка почвы перемешиванием в интервале влажности агрегации более предпочтительна, так как приводит к созданию достаточно прочных агрегатов без понижения их скважности. При такой обработке происходит естественный распад почвы по граням, имеющим большую толщину расклинивающих гидратных оболочек, т. е. используются потенциальные возможности самой почвы к образованию комков и зерен. Увеличением продолжительности перемешивания, а также производимого при перемешивании 72

давления можно добиться значительного повышения прочности агрегатов.

При высыхании почвы после обработки во влажном состоянии происходит уменьшение ее обьема, а вместе с тем повышение механической прочности. Водоустойчивость же приобретается еще во влажном состоянии, причем последующее высыхание может сопровождаться даже понижением водоустойчивости.

По исследованиям Иноземцева (52), влияние уменьшения влажности грунта на величину сближения грунтовых частиц и уменьшения объема грунта не остается постоянным на всем протяжении изменения влажности. При уменьшении последней, от верхнего предела пластичности до нижнего испарение влечет за собой более энергичное сближение грунтовых частиц, чем при дальнейшем высыхании грунта. У глин и суглинков с уменьшением влажности до известного предела изменение объема грунта примерно равно объему испарившейся воды. Ниже этого предела соотношение между влажностью и пористостью резко меняется за счет уменьшения интенсивности усадки, но функция продолжает сохранять линейный характер. В результате на графике наблюдается резко выраженная точка перелома, соответствующая влажности, близкой к нижнему пределу пластичности. У супеси же точка перелома на графике усадки отсутствует. На всем протяжении усадки зависимость между влажностью и пористостью выражается прямой линией.

Увеличение сцепления грунта при высыхании может быть выражено, по Иноземцеву^, следующей формулой:

временное сопротивление растяжению при пори- стости п\ временное сопротивление растяжению при некотором исходном физическом состоянии (например, а воздушно-сухом состоянии);

alt="" />— пористость при том же состоянии;

— отношение среднего поперечника пор к среднему расстоянию между частицами грунта в местах их контакта (к среднему поперечнику микропор) при том же исходном фп зическом состоянии.

Поэтому, по Иноземцеву, «сцепление может быть выражено непосредственно в функции от влажности, пользуясь зависимостью между пористостью и влажностью связного грунта при высыхании последнего» (52, стр. 100).

Вопрос о природе этого сцепления и механизме его возникновения при высыхании является наиболее сложным и неясным по всей проблеме, что связано с общим положением чсории сцепления. Выше мы приводили гипотезу Рэсселя по

этому вопросу. Во всяком случае нельзя не обратить внимания на сходство наблюдающихся здесь явлений с теми, которые характерны для процессов кристаллизации.

По Гольдшмидту (108), «строение кристалла обусловлено соотношением количеств, соотношением величин и поляризационными свойствами его структурных единиц. Названием «структурные единицы» обозначаются здесь атомы (соответственно, ионы) и группы атомов». Сила сцепления между частичками кристаллов с типичной ионной решеткой (например, типа NaCl), а следовательно и их механическая прочность (твердость), как показал Гольдшмидт, возрастает с уменьшением расстояния между ионами и с увеличением зарядов (т. е. валентности) ионов.

Поэтому, если взять какой-либо изоморфный ряд кристаллов, т. е. ряд, все члены которого обладают одинаковой структурой и аналогичной хим'ической формулой, и если у всех членов этого ряда валентйость ионов (а следовательно, и заряды) будут одни и те же, то сила сцепления (а следовательно, и твердость) их будет возрастать с уменьшением межионного расстояния (5).

С другой стороны, Зигмонди (50) указывает и в отношении дисперсных систем, что твердение гелей при высушивании дает повод предполагать возрастание сил притяжения между частицами гелей с уменьшением радиуса притяжения. «Области притяжения были бы еще больше, — говорит Зигмонди, — если бы притяжение на определенных местах распределялось полярно, как у магнитов». Возможно, что подобное явление действительно имеет место, о чем свидетельствуют частые случаи кристаллизации гелей.

В соответствии с этим Сидери (122) объясняет адсорбцию глинистых частиц на кварцевом песке взаимной ориентировкой частиц, рснованной на сходстве их кристаллических периодов. Связь, обусловливающая сцепление, действует на малом расстоянии, однако ориентация глинистых частиц не приурочена к одному адсорбционному слою, а, хотя и в более слабой степени, простирается на несколько слоев.

В литературе имеются достаточно определенные указания, что образование механической прочности почв и грунтов тесно связано с гидратацией обменных катионов. Так, Соколовский и Лукашевич (87), определяя сопротивление раздавливанию цилиндриков из чернозема, насыщенного различными катионами, нашли, что для раздавливания требовалась следующая средняя нагрузка (в кг):

Аналогичные данные были получены также Шаврыгиным, по исследованиям которого временное сопротивление сжатию чернозема менялось в зависимости от состава насыщающих его катионов следующим образом (97):

Таким образом, по влиянию на механическую прочность катионы располагаются в лиотропный ряд:

Этот же лиотропный ряд полностью сохраняется при определениях пластичности и липкости почв, насыщенных различными катионами.

Значительно более сложные явления происходят при распаде агрегатоз под. действием воды. Водоустойчивость связана не только со сцеплением между частицами* но зависит также от скорости проникновения воды и степени смачивания и набухания частиц, создающей условия для расклинивающего давления воды. Последнее, по Дерягину, результат образования гидратных оболочек, раздвигающих частицы. По Ребиндеру, при проникновении смачивающей жидкости в микротрещины горной породы там возникает капиллярное давление, достаточное для разрушения даже самых твердых пород. Сила капиллярного давления обратно пропорциональна толщине трещины и при полном смачивании прямо пропорциональна поверхностному натяжению жидкости. При обычной температуре з трещинах толщиной 1 [i капиллярное давление воды составляет около 1*5 кг/см2, а в трещинах 1 ДД—около 1500 кг/см2; в наиболее тонких же трещинах может достигать около 2 500 кг/см2 (80). Подобные же явления, очевидно, имеют место при проникновении воды в микропоры агрегатов.

В целях выяснения влияния на водоустойчивость агрегатов состава обменных катионов в нашей лаборатории три образца почв — черноземной (Воронежской обл.), подзолистой (Калининской обл.) и красноземной (Грузинской ССР) были насыщены Са", Na' и ri' путем обработки NaCl, СаС12 и НС1 с последующей отмывкой и диализом в пергаментных мешках, после чего подвергались агрегированию в нашем приборе при разной влажности. Данные о гранулометрическом и химическом составе почв приведены в табл. 5 и 6.

Результаты измерений водоустойчивости агрегатов представлены графически на рис. 31, 32 и 33. Как видим, степень водоустойчивости агрегатов определялась не только составом

7Гgt;

Таблица 5

Гранулометрический состав почв (пипетным методом, с предварительной •Зработкой 0,05n НС1 в процентах на высушенную при 105° навеску)

Рис 31 Влияние состава обменных катионов на водоустой-

чивость агрегатов подзолистой почвы, полученных перемешива-

нием при различной влажности.

Химический состав почв

Таблица б

насыщающих почву обменных катионов, но и составом самой почвы. Так, насыщение почвы кальцием вызывало повышение водоустойчивости агрегатов чернозема и понижение — краснозема и подзолистой почвы. Насыщение водородом сопровожда- 76

Рис 32 Влияние состава обменных катионов на водо-

устойчивость агрегатов черноземной почвы, полученных

перемешиванием при различной влажности.

Рис 33. Влияние состава обменных катионов на водо-

устойчивость агрегатов красноземной почвы, полученных

перемешиванием при различной влажности.

лось резким падением водоустойчивости агрегатов чернозема и менее значительным понижением у краснозема и подзолистой почвы. Насыщение натрием вызвало повышение водоустойчивости агрегатов подзолистой почвы, незначительное понижение ее чернозема и резкое падение у краснозема.

Таким образом, влияние состава обменных* катионов на водоустойчивость значительно осложняется и затушевывается другими факторами. Особенного внимания с этой точки зрения заслуживает влияние на водоустойчивость обменного __натрия^

" I? 1929 г. Охотин и Смирнова (75) нашли, что чернозем и глина, насыщенные^на трием, меньше поддаются размыванию водщ^чем те же почвы до насыщении.

В дальнейшем Тюлин (91) в опытах по влиянию давления на образовании агрегатов наблюдал, что насыщение каолина натрием, вопреки ожиданию, само по себе без всякого прессования, повысило в нем количество водоупорных агрегатов. «Данные результаты, — пис,ал Тюлин, — требуют специальной проверки и на данном и на другом материале, так как они явно противоречат нашим обычным представлениям о влиянии иона натрия на обратимость в воде почвенных агрегатов».

Точно так же Вершинин (13) и Сидели (84) получали водоустойчивые агрегатьГ почвы, насыщенной натрием. Как указывает Сидери, «является поразительным, что могут существовать весьма стабильные (т. е. не растворимые в воде) негомогенные агрегаты, составленные из частей, самих по себе растворимых в воде. Например, золь Na-глины* высушенный при температуре 100° С, легко снова растворяется в воде, но смешанный с чистым кварцевым песком становится нерастворимым и приобретает характер весьма прочного цемента. Такое же поведение обнаруживают агрегаты из гумуса и глины, образованные из легко пептизируемого в воде материала — Na- глины и Na-гумата. Эти агрегаты приобретают замечательную устойчивость в состоянии совместной агрегации и протн-" востоят даже действию щелочи.

Указанное явление не можег быть объяснено с точки зрения принятых в почвоведении представлении о природе почвенных коллоидов и участии в процессе образования прочной структуры поглощенного Са. Подавление ионного слоя, вследствие ассоциации частиц в группы, нивеллирует в данном случае различие в растворимости агрегатов, приготовленных из Na- и Са-глиныъ.

Таким образом, агрегация почвенных частиц сопровождается настолько значительным изменением самой природы частиц, что положения, установленные при исследовании их в диспергированном состоянии, оказываются частично или целиком неприменимыми для объяснения их поведения в агрегирован- 'ком состоянии.