RESEARCH PAPER
Solid phase and pore space geometry of agriculture granular materials for example mineral soils
 
More details
Hide details
1
Instytut Agrofizyki PAN, ul. Doświadczalna 4, 20-290 Lublin 27
Publication date: 2020-04-30
 
Acta Agroph. 1997, (7), 3–80
KEYWORDS
ABSTRACT
The physical properties of granular loose materials depend on their internal structure, which can be regarded as the geometry of solid particles in space. The purpose of these paper is to find the method for solid phase reconstruction of the granular medium and then to describe a created structure of pores and solid particles. Packing simulation procedure has been elaborated to find the geometry of a virtual solid grain body. The particle shape has been approximated by means of a sphere. The grain size distribution converted to the number proportions in the classes and the porosity of the investigated body are the input data. The representative volume and the disordered character of the virtual structure have been examined via 3D- and 2D porosities analysis. It was found that the packing procedure can create the structures of such grain size distributions where the ratio of left and right diameter limits is < 30. The above limitations follow from the software (Pascal) and hardware (486 and Pentium) used for the investigation. The concept of a single 2D- and 3D- pores has been proposed. The single 3D-pore is a part of space limited by 4 particle surfaces and 4 necks., while 2D-one is determined by 3-cross-sectioned particles and 3 necks. Such tesselation allowed to divide the medium space (or area) on a set of tetrahedrons (or triangles) which fill this space coherently. Each tetrahedron (triangle) contains one 3D- (or 2D-) pore. It was found that maximum contact number of the particle in monosize grain medium can be described by a square function where the argument is the ratio of the radii of both: the investigated and the monosize particles. The knowledge of the parameters and connectivity of the pores in the network allowed for the determination of the moisture retention curve for some sands and sandy loam body. Several approaches have been presented which differ from each other by dimension of the body (2D and 3D), mechanism of the pore drainage (independent of the state of the neighbours or dependent on it), type of the formula for neck radius determination. The best correlations with the experiment data were found for 2D where the drying of the pore has been assumed to be independent of the state of the neighbour pores and when the lens water is taken into consideration. It was suggested that moisture retention is dependent on the geometry of sample used for the measurement. The comparison of the compatible 2D and 3D pore estimators distributions shows that they are not equal: the 2D- is wider than 3D. The stereological interpretation of the noticed differences explaining this relation was proposed.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Geometria fazy stałej i przestrzeni porów w rolniczych ośrodkach granularnych na przykładzie gleby mineralnej
rozkład wielkości ziaren, symulacja upakowania, mikrostruktura ziarna, modelowanie porów, rozkład wielkości porów, stereologia, retencja wilgoci
Materiały ziarniste stanowią surowiec bądź produkt finalny wielu gałęzi działalności gospodarczej. Do tej klasy ośrodków należy zaliczyć: materiały budowlane (piasek, cement, żwir) i ceramiczne (proszki, gliny i glinki), znaczną część produktów pochodzenia rolniczego (ziarna zbóż i produkty pochodne: mąka, kasza, a oprócz tego cukier itp.), jak również produkty przemysłu chemicznego (niektóre nawozy sztuczne, siarka, sól). Można do nich również zaliczyć odpady będące niepożądanym wynikiem przemysłowych procesów technologicznych: popioły, miał węglowy czy odpady poflotacyjne powstające przy produkcji np. siarki. Roczna produkcja wyżej wymienionych materiałów, w skali kraju, liczona jest w dziesiątkach milionów ton. Najważniejszym jednak, z gospodarczego i ekologicznego punktu widzenia, ośrodkiem wykazującym strukturę ziarnistą jest gleba. Szczególna jej właściwość, w porównaniu do wyżej wymienionych ośrodków polega przede wszystkim na tym, że stanowi ona układ ożywiony, a więc zmienny w czasie. Poza tym gleba jest ośrodkiem heterogenicznym i wielofazowym, ma swoją budowę morfologiczną będącą wynikiem procesów glebotwórczych. Skład granulometryczny jest podstawową charakterystyką każdego ośrodka ziarnistego, a więc i gleby również. Najważniejszą cechą tego rozkładu jest niezmienność. Zmiany uziarnienia, zachodzące w wyniku procesów glebotwórczych, są bardzo powolne i na ogół niezauważalne w okresie porównywalnym z długością ludzkiego życia. Poza nim i składem chemicznym fazy stałej, pozostałe właściwości zmieniają się zależnie od porowatości, wilgotności, koncentracji i składu soli mineralnych w roztworze glebowym, temperatury, zawartości materii organicznej, warunków tlenowych lub też dowolnej kombinacji tych czynników. W praktyce rolniczej i gleboznawstwie od bardzo dawna używane są takie pojęcia jak „gleba lekka", „gleba średnia", „gleba ciężka" czy „gleba ciepła". Już w 1681 roku pierwszy prawdopodobnie gleboznawca polski Wojciech Tylkowski (1629-1695) w traktacie De re Agraria Insignis tractatus oeconomis... sformułował 14 punktów „wiedzy o glebie" z których dziesiąty głosił: „Ciężka ziemia czarna, od spodu gliniasta, jest dobra i ciepła, lecz podatna na chwasty, powinna być później zasiewana". W potocznym rozumieniu np. termin „gleba ciężka" jest skrótową, przybliżoną, opartą na doświadczeniu, charakterystyką gleby. Charakterystyką nieprecyzyjną, ale wszechstronną. Termin ten odnosi się do gleby trudnej do uprawy, tzn. wymagającej maszyn o dużej mocy, o słabej przepuszczalności wodnej, dużej porowatości i pojemności wodnej, lecz o znacznej ilości wody niedostępnej dla roślin, o dużej pojemności sorbcyjnej, niekiedy oglejonej, a więc o słabej aeracji. Jednocześnie termin ten związany jest zawsze z glebą o dużej zawartości części ilastych. Analogicznie termin „gleba lekka" kojarzony jest z glebą o odwrotnych właściwościach, w której dominuje frakcja piasku. Można więc przyjąć, że od wielu wieków dostrzegano istnienie związku między właściwościami fizycznymi, fizykochemicznymi, mechanicznymi gleb mineralnych, a ich składem granulometrycznym. Rozwój metod obliczeniowych stworzył nowe możliwości również w zakresie badań sypkich ośrodków ziarnistych. Wydaje się że, przy pomocy komputerowej symulacji można badać nawet tak skomplikowane układy jak ośrodki glebowe.
eISSN:2300-6730
ISSN:1234-4125