激光粒度儀顆粒分析試驗應用研究

王保田　黃待望　董　薇　張海霞　陳一新

(1．河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 南京　210098； 2． 河海大學 巖土工程研究所， 南京　210098； 3. 浙江廣川工程咨詢有限公司， 杭州　310000)

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激光粒度儀顆粒分析試驗應用研究

王保田1，2黃待望1，2董薇1，2張海霞1，2陳一新3

(1．河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 南京210098； 2． 河海大學 巖土工程研究所， 南京210098； 3. 浙江廣川工程咨詢有限公司， 杭州310000)

摘要：為了研究激光粒度儀在顆粒分析試驗中的應用，通過系列顆分試驗探討了土粒徑分布隨遮光度的變化規(guī)律，并分析了激光粒度儀法與密度計法的異同，得到激光粒度儀可以取代密度計法測試結果的范圍區(qū)間．試驗結果表明：激光粒度儀應用于土樣粒度分析，遮光度控制范圍為30%～35%時，測試結果重復性最高；粒徑小于0.002 mm，密度計法測試結果遠高于激光粒度儀法，而當土粒徑大于0.004 mm時，兩種方法得到結果較為吻合．研究成果對激光粒度儀在土體粒度分布測試中的應用具有重要意義．

關鍵詞：激光粒度儀；遮光度；密度計法；對比分析

顆粒大小、級配和粒組含量是土體工程分類的重要依據，土粒大小與土的礦物組成、力學性質、形成環(huán)境等均有直接聯系．因此，土的粒度分布測量在實際應用中非常重要．土粒度傳統測試方法主要有篩析法和沉析法．土工試驗標準《GB/T50123-1999》[1]規(guī)定，對于粒徑大于0.075 mm且小于60 mm的粗土，一般采用篩析法；粒徑小于0.075 mm的黏土采用沉析法．沉析法包括密度計法和移液管法，這兩種傳統測量土粒分布的方法具有良好的代表性和理論性，但測試時間長、重復性較差，特別是由于膠粒電泳現象，不能準確分析粒徑小于0.002 mm的黏土顆粒．

近年來，隨著顆粒測量技術的發(fā)展，激光粒度儀已逐漸在江河、水庫懸移質以及推移質泥沙顆粒粒度的測量分析中得到應用，并繼續(xù)在巖土工程領域推廣[2]．激光粒度儀一般的測量范圍在0.1～340 μm，具有測試速度快、操作方便、重復性好等優(yōu)點．激光粒度儀粒度測試過程中，試樣濃度(反映為遮光度)對測試結果有很大影響．由于激光粒度儀與密度計法測量土粒粒徑原理不同，等效粒徑定義也不同，所以兩種方法在土體粒徑分析中存在一定差異[3]．本文采用BT-9300型激光粒度儀測定8種土的粒度分布，通過不同遮光度下的粒度測量，確定每一種土的最優(yōu)遮光度范圍并對土體的遮光度進行優(yōu)化設計．最后根據密度計法和激光粒度儀法關于8組土的粒度分布測試結果，分析兩種方法的異同，確定激光粒度儀法的優(yōu)越性以及在顆粒分析試驗中推廣的可能性．

1實驗儀器與原理

1.1激光法

BT-9300型激光粒度儀是基于激光散射原理測量顆粒粒徑分布的一種粒度測量儀器，可測量0.1～340 μm范圍內任意形狀的顆粒，樣品遮光度范圍為10%～70%，測定時間為1～3 min/次．激光粒度儀在使用時禁止在循環(huán)池沒水時打開超聲波；不得向循環(huán)池加入大于1 mm的樣品；樣品加入前要消除管路中氣泡．激光粒度儀的工作原理如圖1所示．

圖1　激光粒度儀工作原理示意圖

首先通過循環(huán)分散系統將土顆粒分散后送到測量區(qū)域．基于米氏散射理論，由激光器發(fā)出光束，經過空間濾鏡形成一束平行光，當平行光照射到土體顆粒上時，會發(fā)生散射現象，而散射角與顆粒直徑成反比．散射光經傅氏透鏡后成像在焦平面上形成顆粒的散射光譜，這種散射光譜不隨顆粒運動而改變，通過接受和測量這些散射光的能量分布就可以得到顆粒的粒度分布[4]．激光粒度儀法應用于顆粒分析主要基于以下3個假定：①顆粒的排列是隨機的；②基于米氏散射理論研究顆粒粒徑是可行的；③顆粒衍射圖案轉換成粒徑時假定顆粒是球形的．

1.2密度計法

密度計法一般用于測量0.075～0.002 mm的土體顆粒，依據斯托克斯(Stokes)定律來測量土粒粒徑．斯托克斯定律的基本表述為，當固體顆粒粒徑在0.002～0.02 mm時，可認為在溶液中下沉速率不變，并且認為當土體顆粒在液體中靠自重下沉時，較大的顆粒下沉較快，而較小的顆粒下沉較慢．對于粒徑小于2 μm的土粒，密度計法將不再適用，這是因為當顆粒為膠體(直徑小于0.002 mm的顆粒)時，顆粒間由于范德華力而產生布朗運動，導致土體顆粒在液體中不均勻下沉．

根據斯托克斯定律，顆粒粒徑計算公式如下[5]

式中，d為顆粒粒徑(mm)；η為水的動力粘滯系數10-6kPa·s；L為某一時間內顆粒落距(cm)；GS，GW，T分別為土粒比重和T℃時水的比重；t℃為沉降時間(s)；g為重力加速度(cm/s2)．

小于某粒徑試樣質量分數計算公式如下[5]：

式中，X為小于某粒徑試樣質量的百分數(%)；CG為土粒比重校正值；R為甲種密度計度數；mT為懸液溫度校正值；CD為分散劑校正值；n為彎液面校正值；md為試樣干質量(g)．

2激光粒度儀遮光度的優(yōu)化設計

激光粒度儀的遮光度，表示為任一時刻光速中樣品數量的度量，用百分比(%)表示．合適的遮光度對粒徑的測量準確性有很大影響．

路新成[6]、殷杰[7]、楊道媛[8]等都指出遮光度以及分散條件的選擇對粒度測量的重要性，但由于采用的儀器不同、測試樣品不同，應用激光粒度儀時不同土樣采用不同的遮光度對結果的影響缺乏相關研究．因此，本文收集從黏性土到砂性土共8種不同性質的土樣，分別進行不同遮光度條件的粒度分析試驗，發(fā)現土的粒度分布隨遮光度改變而變化的規(guī)律并確定每一種土的最優(yōu)遮光度范圍．

2.1檢測樣品的制作

取烘干土樣200～300 g，碾碎，過2 mm篩，取過篩后的土樣30 g，倒入500 mL的錐形瓶中，注入純水200 mL，浸置24 h，后置于煮沸裝置中煮沸，煮沸時間宜為40 min，樣品冷卻后將懸液倒入500 mL燒杯，攪拌均勻后供激光粒度儀使用，在樣品中加入配置的4%的六偏磷酸鈉做為分散劑．對每一組土樣采用激光粒度儀做不同遮光度的粒度分析試驗．

2.2試驗成果分析

圖2　遮光度對土體粒度的影響

遮光度對土體粒徑測量的影響試驗中，將遮光度控制在15%～65%之間，每隔5%測量(同種土體、同樣遮光度取樣6～8個，試驗結果重復性較高)．選取測得的相同土體、不同遮光度的粒徑分布曲線中的中值粒徑d50(累積分布含量50%時所對應的粒徑)，得到d50隨遮光度的變化曲線．由1、3、5、7號試樣可以看出，隨著遮光度的增加，d50先逐漸增大，再趨于穩(wěn)定，最后逐漸減?。挥?、4、6、8號試樣可以看出，隨著遮光度的增加，d50先逐漸變小，再趨于穩(wěn)定，最后繼續(xù)減?。@是由于當進樣濃度過低時，遮光度較小，探測器檢測到的信號比較少，信噪性小，導致結果變異性很大，樣品測量結果不具有代表性；當加入的樣品達到一定的濃度后，隨著樣品的繼續(xù)加入，使得出現多重散射而導致散射角變大，由于激光粒度儀測得的散射角與顆粒直徑成反比，所以當遮光度達到一定數值時，隨著遮光度的增加，d50逐漸減?。?/p>

由8組試樣可以看出當遮光度在一定區(qū)間內時(圖2中兩條虛線之間)，d50變化較平緩．1、2號試樣的d50平緩區(qū)間是25%～45%；3、8號試樣的d50平緩區(qū)間是20%～35%；4號試樣的d50平緩區(qū)間是20%～40%，5、6、7號試樣的d50平緩區(qū)間是30%～45%，由此可以看出在使用激光粒度儀測量土的顆粒分布時，當遮光度在一定數值范圍內，每種土樣的d50波動不大，說明在此范圍內所得到的粒度分布結果較可靠，重復性較好，但對于不同類的土，穩(wěn)定范圍并不完全相同．通過本次試驗，當遮光度在30%～35%范圍內時，所測得的結果較為穩(wěn)定．

3激光法與密度計法的對比分析

圖3　激光粒度儀和密度計法所測得的級配曲線比較

當每組土樣最優(yōu)遮光度范圍確定后，在優(yōu)化條件下測出8組土樣的粒徑分布曲線．為了與激光粒度儀法作比較，將密度計法測得的每組土樣的粒徑分布曲線也繪入圖3中．從密度計法和激光粒度儀測得的級配曲線(見圖3)中可以看出：這兩種試驗測得的粒徑曲線變化趨勢基本一致，測定誤差較為均勻，但普遍存在一定的偏差．通過試驗，根據這8組試樣結果，當粒徑大于一定數值時，激光粒度儀法測得的相同粒徑下土的質量占總質量的百分數要高于密度計法的測量值，這是由于采用密度計法時顆粒沒有完全分散開的原因；當粒徑大于0.004 mm時，兩種方法測量的結果較為吻合，說明激光粒度儀法是可以代替密度計法進行顆粒分析的．對比8組試驗結果發(fā)現激光粒度儀對于大的粒徑顆粒測試存在失真現象，這是由于激光粒度儀最大測試量程僅為0.34 mm的限制所致，這說明激光粒度儀進行粒度測量，越靠近測量量程的邊緣，精度越低．因此試驗中，對被測量樣品的粒度范圍應該留有余量．

表1　粒徑小于0.002 mm兩種方法測試結果定量比較

另外，將粒徑小于0.002 mm的兩種方法測試結果進行對比，詳見表1所示．當土體粒徑小于0.002 mm時，密度計法測試數據遠大于激光粒度儀測試，最大誤差達到27.79%．其主要原因在于密度計法是根據不同直徑的土粒在水中沉降速度進行換算得到，當土顆粒過小時沉降時間很長，按照規(guī)范無法準確測出粒徑很小的顆粒質量分數，當土體粒徑小于0.002 mm時，膠體粒子會產生電泳現象，產生很大誤差，最終引起試驗誤差．激光粒度儀測量的最小粒徑可達0.0001 mm，可以有效彌補密度計法不能準確測量粒徑小于0.002 mm不足，并且測試時間短，重復性也較好．

4結論

1)激光粒度儀應用于土樣粒度分析時，應著重控制樣品的遮光度，遮光度過低，信噪性較小，檢測不到足夠的信號，結果變異性大；遮光度過高，傅散性大，會出現多重散射而使得測得的土體顆粒粒徑偏?。煌馏w對應的最優(yōu)遮光度范圍雖然不同，但當控制遮光度范圍為30%～35%時，測試結果重復性最高．

2)土體粒徑小于0.002 mm時，采用密度計法無法準確測出顆粒的質量分數，而激光粒度儀法可以彌補這一不足；當土體粒徑大于0.004 mm時，兩種方法測試結果較為吻合，說明激光粒度儀法可以替代密度計法進行粒度分析．

3)密度計法進行顆粒分析試驗受人為因素影響較大且時間長、操作復雜．激光粒度儀測量粒徑分布操作方便、采集的數據點比密度計法多且重復性較好、準確度高，故激光粒度儀可以進一步推廣應用于土工顆粒分析試驗．

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家標準．GB/T 50123-1999．土工試驗方法標準[S]．

[2]牛占，和瑞勇，李靜，等．激光粒度分析儀應用于黃河泥沙顆粒分析的實驗研究[J]．泥沙研究，2002(5)：6-14．

[3]游波，王保田，趙辰洋．激光粒度儀在土工顆粒分析中的應用研究[J]．人民長江，2012，43(24)：50-54．

[4]程鵬，高抒，李徐生．激光粒度儀測試結果及其與沉降法、篩析法的比較[J]．沉積學報，2001，19(3)：449-455．

[5]南京水利科學研究院．GB/T 50123-1999．土工試驗方法標準[S]．北京：中國計劃出版社，1999．

[6]路新成，曹景洋．HELOS/BF型激光粒度儀濕法測試條件的優(yōu)化[J]．巖礦測試，2013，32(4)：590-594．

[7]楊道媛，馬成良，孫宏魏，等．馬爾文激光粒度分析儀粒度檢測方法及其優(yōu)化研究[J]．中國粉體技術，2002，8(5)：27-30．

[8]殷杰，鄧永鋒，徐飛．激光衍射粒度儀在連云港軟土顆粒分析中的應用[J]．河海大學學報：自然科學版，2008，36(3)：379-383．

[責任編輯王康平]

Application of Laser Particle Size Analyzer to Geotechnical Particle Size Assaying

Wang Baotian1，2Huang Daiwang1，2Dong Wei1，2Zhang Haixia1，2Chen Yixin3

(1. Key Laboratory for Geotechnic & Embankment Engineering of Ministry of Education, Hohai Univ., Nanjing 210098, China; 2. Geotechnical Research Institute， Hohai Univ.， Nanjing 210098，China; 3. Zhejiang Guangchuan Engineering Consulting Co., Ltd.， Hangzhou 310000, China)

AbstractTo study the application of laser particle size analyzer in grain size analysis, the series of size distribution tests were carried out to discuss the regular pattern of soil particle size distribution changes with injection concentrations.Besides，we compare the similarities and differences between laser particle size analyzer and densimeter method. The result shows that in a certain range the laser particle size analyzer can replace densimeter method.Test results indicate that the laser particle size analyzer used to analyze the soil samples has the highest repeatability results when injection concentrations in the 30%-35% range; the test result by densimeter method is far higher than that by laser particle size analyzer when particle size is less than 0.002 mm; and when soil particle size is bigger than 0.004 mm， tallies with the results of the two methods. Research of laser particle size analyzer applicated in measuring and analyzing the grain size distribution of soil particles is of great significance.

Keywordslaser particle size analyzer;injection concentrations;densimeter method;comparative analysis

基金項目：國家自然科學基金《300級面板壩筑壩材料的漸近狀態(tài)顆粒破碎本構模型研究》(1179097)

收稿日期：2015-09-01

中圖分類號：TU411

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2015)06-0034-04

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.007

通信作者：王保田(1963-)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為巖土工程．E-mail：btwang1010@126.com