篩分試驗(yàn)：顆粒材料粒度分析的基石方法

副標(biāo)題： 原理、操作與應(yīng)用指南

篩分試驗(yàn)是測定顆粒狀物料（如砂、礫石、碎石、土壤、礦粉、化工原料等）粒度組成（或稱顆粒級(jí)配）最經(jīng)典、最直觀的物理分析方法之一。它通過一系列標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)，將物料按粒徑大小進(jìn)行分離和定量分析，為材料選擇、質(zhì)量控制、工藝設(shè)計(jì)及理論研究提供至關(guān)重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

一、篩分試驗(yàn)的基本原理

篩分試驗(yàn)的核心原理是機(jī)械篩分。將已知質(zhì)量的物料置于一套孔徑自上而下依次減小的標(biāo)準(zhǔn)篩（篩子按孔徑從大到小疊放）的最上層篩網(wǎng)上。通過機(jī)械振動(dòng)或手工搖動(dòng)，小于當(dāng)前篩網(wǎng)孔徑的顆粒（篩下物）穿過篩網(wǎng)落入下一層更細(xì)的篩網(wǎng)或底盤上，而大于當(dāng)前篩網(wǎng)孔徑的顆粒（篩上物）則留在該層篩網(wǎng)上。如此逐層進(jìn)行，最終物料被分成若干不同粒徑范圍的組份。

• 關(guān)鍵參數(shù)：
  • 篩孔尺寸： 標(biāo)準(zhǔn)篩的孔徑，以毫米（mm）或微米（µm）表示，遵循特定的標(biāo)準(zhǔn)系列（如ISO、ASTM、GB等）。
  • 篩余量： 停留在某一篩網(wǎng)上的物料質(zhì)量。
  • 通過量： 通過某一篩網(wǎng)的物料質(zhì)量。
  • 篩余百分率： 某一粒徑組份的質(zhì)量占總試樣質(zhì)量的百分比。
  • 累計(jì)篩余百分率： 大于某一篩孔尺寸的所有組份的質(zhì)量百分率之和。
  • 通過百分率： 小于某一篩孔尺寸的所有組份的質(zhì)量百分率之和（= 100% - 累計(jì)篩余百分率）。

二、篩分試驗(yàn)的目的與意義

1. 確定粒度分布： 獲得物料中不同粒徑顆粒所占的比例，繪制粒度分布曲線（篩分曲線），直觀反映物料的整體粗細(xì)程度和均勻性。
2. 材料分類與規(guī)格控制： 判斷物料是否符合特定工程或產(chǎn)品對粒度的要求（例如混凝土用砂的級(jí)配區(qū)、瀝青混合料集料的規(guī)格、過濾介質(zhì)的粒徑范圍等）。
3. 工藝優(yōu)化： 為破碎、研磨、分選等加工工藝提供依據(jù)，優(yōu)化設(shè)備參數(shù)和流程。
4. 質(zhì)量控制與驗(yàn)收： 在生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)，監(jiān)控原材料和產(chǎn)品的粒度穩(wěn)定性。
5. 科學(xué)研究： 研究顆粒物料的物理性質(zhì)（如滲透性、壓實(shí)性、流動(dòng)性、反應(yīng)活性等）與粒度分布的關(guān)系。
6. 土工試驗(yàn)基礎(chǔ)： 在土壤力學(xué)中，篩分是確定土樣顆粒組成的第一步，用于土壤分類（如確定砂、礫石含量）。

三、篩分試驗(yàn)所需儀器設(shè)備

1. 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩： 一套符合國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)的金屬絲編織網(wǎng)篩或金屬穿孔板篩。篩框通常為圓形或方形，篩網(wǎng)牢固安裝在篩框上。篩子按孔徑大小依次嵌套，最大孔徑篩在上，最小孔徑篩在下，最底部為接料底盤，最頂部有篩蓋。
2. 振篩機(jī)： 提供標(biāo)準(zhǔn)化振動(dòng)或拍擊的機(jī)械裝置，確保篩分效率和一致性。對于精細(xì)物料或要求高的場合，振篩機(jī)是必需的。
3. 天平： 精度滿足試驗(yàn)要求（通常精確到0.1%或0.1g，視樣品量和要求而定），用于稱量試樣總質(zhì)量及各篩余量。
4. 烘箱： 用于烘干試樣（尤其含水分物料），確保試驗(yàn)結(jié)果基于干質(zhì)量（除非試驗(yàn)規(guī)程允許濕篩）。
5. 毛刷： 軟毛刷用于清理篩網(wǎng)上的顆粒，防止堵塞。
6. 盛料容器及輔助工具： 樣品盤、勺子、分樣器等。

四、篩分試驗(yàn)操作步驟（干篩法通用流程）

1. 試樣制備：
   • 按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法從大批物料中采集具有代表性的樣品。
   • 若物料潮濕或含泥，需將試樣放入烘箱（通常105±5°C）烘干至恒重，冷卻至室溫。
   • 根據(jù)最大粒徑和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，確定所需的試樣最小質(zhì)量。
   • 用分樣器或四分法將總樣縮分至試驗(yàn)所需質(zhì)量（記錄為M總）。
2. 套篩組裝： 將選好的一套標(biāo)準(zhǔn)篩，按孔徑從大到小的順序自上而下疊放（最大孔徑篩在頂部），最下方放置接料底盤，頂部蓋上篩蓋。
3. 試樣裝入： 將稱量好的干燥試樣（M總）小心倒入最頂層的篩子中。
4. 篩分過程：
   • 手工篩分： 雙手握住套篩，在平整臺(tái)面上，以約150次/分的速率，按順時(shí)針、逆時(shí)針及上下方向輕輕搖動(dòng)和拍打套篩。持續(xù)規(guī)定時(shí)間（通常幾分鐘），直至各篩每分鐘通過的物料量小于試樣總質(zhì)量的0.1%為止。
   • 機(jī)械篩分： 將裝有試樣的套篩牢固安裝在振篩機(jī)上，設(shè)定規(guī)定的振動(dòng)/拍擊頻率和時(shí)間（通常5-15分鐘）。啟動(dòng)振篩機(jī)。
5. 篩余物稱量：
   • 篩分結(jié)束后，小心取下套篩。
   • 依次將每個(gè)篩子及底盤上的物料分別倒入已知質(zhì)量的樣品盤中。
   • 用軟毛刷輕輕刷凈篩網(wǎng)背面及篩框上的附著顆粒，并入對應(yīng)篩級(jí)的樣品中。
   • 稱量每個(gè)篩上物（篩余物）的質(zhì)量（m1, m2, ..., mn）和底盤上的物料質(zhì)量（m底）。記錄所有質(zhì)量。
6. 數(shù)據(jù)校驗(yàn)： 計(jì)算所有篩余物質(zhì)量與底盤物料質(zhì)量之和（Σm篩余）。Σm篩余與試樣總質(zhì)量M總的差值（損失量）應(yīng)不超過M總的1%（或按具體標(biāo)準(zhǔn)要求）。若超差，試驗(yàn)需重做。
7. 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果表達(dá)：
   • 計(jì)算各篩余百分率：(單個(gè)篩余質(zhì)量 mi / M總) × 100%
   • 計(jì)算累計(jì)篩余百分率（Ai）：從最大孔徑篩開始，逐級(jí)累加該篩及以上所有篩的篩余百分率。
   • 計(jì)算通過百分率（Pi）：Pi = 100% - Ai （Ai為對應(yīng)篩孔的累計(jì)篩余百分率）。
   • 繪制篩分曲線（粒度分布曲線）：通常在半對數(shù)坐標(biāo)紙上，以篩孔尺寸（對數(shù)坐標(biāo)）為橫坐標(biāo)，通過百分率（算術(shù)坐標(biāo)）為縱坐標(biāo)，將各篩孔對應(yīng)的通過百分率點(diǎn)連成平滑曲線。
   • 計(jì)算特征粒徑：如d10（有效粒徑，通過率為10%對應(yīng)的粒徑）、d30、d60（控制粒徑）、d50（中值粒徑）、不均勻系數(shù)Cu（=d60/d10）、曲率系數(shù)Cc（=(d30)²/(d60*d10)）等（常用于土壤及集料分析）。
   • 填寫篩分試驗(yàn)記錄表。

五、試驗(yàn)注意事項(xiàng)與誤差控制

1. 代表性取樣： 這是獲得可靠結(jié)果的前提。
2. 試樣干燥： 確保試樣完全干燥（水分會(huì)影響顆粒流動(dòng)性和稱量精度），除非規(guī)程允許濕篩。
3. 篩網(wǎng)完好性： 試驗(yàn)前檢查篩網(wǎng)是否有破損、變形或堵塞。篩孔尺寸需定期校驗(yàn)。
4. 篩分時(shí)間與強(qiáng)度： 嚴(yán)格按照規(guī)程操作，避免篩分不足（顆粒未充分分離）或過度篩分（顆粒破碎）。
5. 稱量精度： 使用合適量程和精度的天平，仔細(xì)稱量。
6. 損失控制： 操作輕柔，防止物料濺出；毛刷清理徹底但避免損壞篩網(wǎng)。
7. 篩分方式選擇： 對含細(xì)粒或易團(tuán)聚的物料，可能需采用濕篩法（加水輔助分散）或結(jié)合沉降法分析。
8. 標(biāo)準(zhǔn)一致性： 篩子規(guī)格、篩分時(shí)間、結(jié)果計(jì)算方法等必須嚴(yán)格遵循所采用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 14684《建設(shè)用砂》、GB/T 14685《建設(shè)用卵石、碎石》、ASTM C136/C136M、ISO 3310-1等）。

六、篩分試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用

• 工程材料評價(jià)： 確定骨料級(jí)配是否符合混凝土、瀝青混合料、基層材料等的規(guī)范要求。
• 土壤工程分類： 作為土壤分類（如《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50145）的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
• 過濾介質(zhì)選擇： 確定砂濾料、活性炭等過濾材料的有效粒徑和不均勻系數(shù)。
• 研磨工藝優(yōu)化： 評估研磨產(chǎn)品的細(xì)度，指導(dǎo)磨機(jī)調(diào)整。
• 產(chǎn)品質(zhì)量控制： 監(jiān)控粉末、顆粒狀工業(yè)產(chǎn)品（如化肥、催化劑、顏料）的粒度規(guī)格。
• 科學(xué)研究： 分析顆粒物料堆積密度、孔隙率、滲透性、強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)與粒度分布的關(guān)系。

篩分試驗(yàn)以其原理簡單直觀、設(shè)備相對普及、成本較低的優(yōu)勢，成為顆粒物料粒度分析不可或缺的常規(guī)方法。掌握其標(biāo)準(zhǔn)操作流程、理解數(shù)據(jù)處理方法并嚴(yán)格遵守注意事項(xiàng)，是獲得準(zhǔn)確、可靠粒度分布數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。這些數(shù)據(jù)為材料應(yīng)用、工藝設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制和科學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)。盡管現(xiàn)代激光衍射等粒度分析技術(shù)發(fā)展迅速，篩分試驗(yàn)因其結(jié)果的直觀性和在某些粒徑范圍（特別是粗顆粒）的準(zhǔn)確性，仍在眾多領(lǐng)域保持著核心地位。