黃土顆粒分離方法試驗(yàn)研究

王 力, 李喜安,2, 駱建文, 蔡瑋彬

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)與測(cè)繪工程學(xué)院, 西安 710054; 2.國(guó)土資源部巖土工程開(kāi)放研究實(shí)驗(yàn)室, 西安 710054;3.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司, 西安 710021; 4.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院, 成都 610045)

黃土顆粒分離方法試驗(yàn)研究

王 力1, 李喜安1,2, 駱建文3, 蔡瑋彬4

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)與測(cè)繪工程學(xué)院, 西安 710054; 2.國(guó)土資源部巖土工程開(kāi)放研究實(shí)驗(yàn)室, 西安 710054;3.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司, 西安 710021; 4.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院, 成都 610045)

以延安新區(qū)I期工程的馬蘭黃土為研究對(duì)象，分別采用篩分法、離心機(jī)法和靜水沉降法對(duì)其進(jìn)行顆粒分離試驗(yàn)，并利用激光粒度儀對(duì)3種分離方法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行跟蹤對(duì)比，以研究最適用于黃土顆粒的分離方法。結(jié)果表明：篩分法主要適用于粒徑大于0.05 mm的黃土顆粒的分離，對(duì)粒徑小于0.05 mm的黃土顆粒分離效果較差，篩分結(jié)果的可靠性偏低。離心機(jī)法由于自身的局限性且受影響因素較多，試驗(yàn)結(jié)果的可靠性較低；靜水沉降法主要適用于粒徑小于0.05 mm的黃土顆粒的分離，顆粒分級(jí)效果顯著，試驗(yàn)結(jié)果的可靠性較高，且試驗(yàn)精度滿足要求，但對(duì)于粒徑小于0.002 mm的顆粒分離時(shí)間較長(zhǎng)。通過(guò)3種試驗(yàn)方法的對(duì)比可知，在對(duì)黃土進(jìn)行顆粒分離試驗(yàn)時(shí)，宜采用篩分—沉降相結(jié)合的分離方法，對(duì)于大于0.05 mm的顆粒宜采用篩分，對(duì)于小于0.05 mm的顆粒宜采用靜水沉降法。

顆粒分離; 篩分法; 離心機(jī)法; 靜水沉降法; 粒度分析

顆粒組成是黃土的基本物理屬性之一。在黃土沉積過(guò)程中，由于物源、搬運(yùn)距離、沉積環(huán)境、成土作用和風(fēng)化過(guò)程等方面的差異，導(dǎo)致不同地域的黃土其粒級(jí)組成存在著明顯差異。不同粒級(jí)組成的黃土，其物理力學(xué)性質(zhì)有著顯著差異，而要系統(tǒng)深入研究由于粒級(jí)變化而導(dǎo)致的黃土各種物理力學(xué)性質(zhì)及其微觀機(jī)理的差異，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)粒組人為可控就顯得十分必要，而這則必須借助有效的顆分方法。

目前，國(guó)內(nèi)外最常用的顆粒分離方法有篩分法、離心機(jī)法和靜水沉降法。篩分法操作簡(jiǎn)便快捷，設(shè)備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其主要應(yīng)用0.05 mm以上大顆粒的提取[1]。離心機(jī)進(jìn)行土壤顆粒分離可以在短時(shí)間內(nèi)取得足夠數(shù)量的不同粒徑的土壤顆粒，其主要應(yīng)用于粒徑小于2 μm的黏粒的分離。而靜水沉降法是利用粒徑大于2 μm的顆粒在水中快速沉淀的特點(diǎn)，用于分離粒徑大于2 μm的顆粒。Anderson[2]，Tiessen[3]，武天云[4]，王娟[5]，呂慧捷[6]，王楠[7]等根據(jù)自身不同的需求采用離心機(jī)將土壤分為不同的粒級(jí)；劉廣通等[8]應(yīng)用靜水沉降將土壤分為不同的粒級(jí)用來(lái)測(cè)定組成土壤的不同直徑顆粒的含量；甘宗煜等[9]采用自制沉降筒對(duì)粒徑在2～50 μm的土壤分為不同粒級(jí)來(lái)研究放射性核素在不同土壤粒級(jí)的分布；羅義真[10]采用沉降與離心相結(jié)合的方法將土壤分為>10 μm，10～1 μm，<1 μm，1～0.2 μm，<0.2 μm。通常，利用一般方法只可將試樣顆粒分為礫粒、砂粒、粉粒和黏粒，對(duì)于粒徑小于2 μm的膠粒要通過(guò)離心法實(shí)現(xiàn)。然而，黃土作為一種多孔隙、弱膠結(jié)的第四系沉積物，其物質(zhì)組成、顆粒形態(tài)、接觸及連接方式十分復(fù)雜，現(xiàn)存結(jié)構(gòu)構(gòu)造是其整個(gè)歷史形成過(guò)程的綜合產(chǎn)物，直接影響著黃土的物理力學(xué)特性。正是由于這種結(jié)構(gòu)本身的獨(dú)特性，目前，還沒(méi)有適宜的黃土顆粒分離方法。因此，探尋黃土顆粒分離的最佳方法就顯得十分的重要。

本文主要借助土壤顆粒分離的3種方法，即篩分法、離心機(jī)法和靜水沉降法，對(duì)黃土顆粒進(jìn)行分離，并對(duì)3種分離方法所收集的各粒級(jí)顆粒用激光粒度儀跟蹤測(cè)試，最后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析比較，用以探討各種分離方法的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，以期為黃土顆粒的分離找到適宜的方法。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用的土樣為Q3馬蘭黃土，采自延安新區(qū)Ⅰ期工程挖山填溝挖方工程新鮮剖面，自地表以下4 m深度處人工切取土樣。試驗(yàn)前先將所取黃土樣碾散放置于烘箱內(nèi)105℃溫度條件下烘干，然后把烘干的黃土過(guò)2.0 mm篩，并使用激光粒度分析儀測(cè)得篩后土樣的顆粒粒徑分布曲線和累積曲線(圖1)。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 篩分法 本次篩分試驗(yàn)選擇1 mm(16目)，0.5 mm(35目)，0.25 mm(60目)，0.05 mm(300目)4個(gè)不同篩孔直徑的標(biāo)準(zhǔn)篩，按照孔徑從小到大依次疊放在一起，然后搖晃篩子一定時(shí)間，至無(wú)土粒漏下為止。收集各篩上的黃土試樣。

圖1土樣粒徑分布曲線和級(jí)配累計(jì)曲線

1.2.2 離心機(jī)法 本次離心法試驗(yàn)根據(jù)不同粒徑的土顆粒在離心機(jī)作用下的沉淀時(shí)間不同，將10 g的土樣(粒徑小于0.050 mm)放入100 ml的離心管，加蒸餾水60～80 ml，搖勻制成懸浮液。

(1) 在550 rpm下離心10 min后，將懸浮液傾倒在燒杯中，然后加蒸餾水繼續(xù)離心，重復(fù)此步驟5次或更多次，最后一次將離心管里的懸浮液傾倒出后，將留在離心管底部的固體顆粒用水洗到燒杯中，在50℃條件下烘干(0.01～0.05 mm)。

(2) 將(1)中燒杯中收集的懸浮液倒入離心管，在1 000 rpm轉(zhuǎn)速下，離心10 min后，將懸浮液傾倒在燒杯中，重復(fù)此步驟5次或更多次，最后將留在離心管底部的固體顆粒用水洗到燒杯中，在50℃條件下烘干(0.005～0.01 mm)。

(3) 將(2)中燒杯中收集的懸浮液倒入離心管，在1 500 rpm下離心15 min后，將懸浮液倒入傾倒在燒杯中，重復(fù)此步驟5次或更多次，最后一次將離心管里的懸浮液傾倒出后，將留在離心管底部的固體顆粒用水洗到燒杯中，在50℃條件下烘干(0.002～0.005 mm)。

(4) 將(3)燒杯中收集的懸浮液倒入離心管，加蒸餾水50 ml，在2 000 rpm下離心20 min后，將懸浮液倒入傾倒在燒杯中，將留在離心管底部的固體顆粒用水洗到燒杯中，在50℃條件下烘干(<0.002 mm)。

1.2.3 靜水沉降法 本次沉降法試驗(yàn)是將所取黃土試樣先在105℃的條件下干燥5 h，冷卻后基于中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所等[11]單位制定的土粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，按照室內(nèi)土壤分離要求，過(guò)300目尼龍篩(篩孔尺寸:0.050 mm)，提取粒徑0.050 mm以上的試樣。對(duì)于粒徑<0.050 mm的粒級(jí)，根據(jù)Stokes[12]提出的Stokes定律，采用沉降法通過(guò)移液管分別提取<0.002 mm(膠粒)，0.002～0.005 mm(黏粒)，0.005～0.01 mm(細(xì)粉粒)，0.01～0.05 mm(粗粉粒)4個(gè)粒級(jí)的土壤顆粒，然后將包含各粒級(jí)樣品的懸浮液在40～60℃下烘干后進(jìn)行收集。

在用沉降法進(jìn)行顆粒分離之前，考慮到前處理過(guò)程中加水靜置、加分散劑、加熱、去除有機(jī)質(zhì)和環(huán)境溫度等步驟的不同將明顯影響著粒度測(cè)量的結(jié)果，即影響試樣各粒級(jí)的分布，進(jìn)而影響各粒級(jí)顆粒的分級(jí)。對(duì)于如何對(duì)試樣進(jìn)行合理的前處理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者鹿化煜等[13]、張紅艷等[14]、龐獎(jiǎng)勵(lì)等[15]、任少芳等[16]、周汶[17]對(duì)不同的前處理方法進(jìn)行了多次討論。本文在對(duì)粒徑<0.050 mm的顆粒進(jìn)行分級(jí)之前，分析了幾種不同的前處理方法對(duì)顆粒分離結(jié)果的影響，并對(duì)不同處理方法的結(jié)果用激光粒度儀進(jìn)行測(cè)試。不同的處理方法分別為：(1) 把樣品放入蒸餾水中浸泡24 h后測(cè)量；(2) 在樣品中加入15 ml濃度分別為2%，4%，6%，8%的(NaPO3)6分散劑，然后把燒杯注滿蒸餾水，靜置24 h后測(cè)量；(3) 在樣品中加入15 ml濃度分別為2%，4%，6%，8%的(NaPO3)6分散劑，然后把燒杯注滿蒸餾水并煮沸0.5 h使其充分反應(yīng)，靜置24 h后測(cè)量；(4) 考慮環(huán)境因素對(duì)顆粒分離造成的影響，將樣品分別放置在16℃和21℃(兩個(gè)溫度為進(jìn)行試驗(yàn)不同時(shí)間段的室溫)，分別取分離后5 min，10 min，15 min和20 min的試樣對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 篩分法分離結(jié)果

由圖2可以看出，對(duì)篩分的分離結(jié)果通過(guò)激光粒度儀表征得到的1～0.5 mm(粗砂)，0.5～0.25 mm(中砂)，0.25～0.05 mm(細(xì)砂)各粒級(jí)顆粒均接近80%，分離效果顯著，且具有重復(fù)性。而篩分分離的0.05 mm以下細(xì)顆粒中含有40%以上的大顆粒，分離粒級(jí)區(qū)分不明顯。主要是由于在篩分過(guò)程中，分離結(jié)果受到環(huán)境因素(溫度和濕度)，技術(shù)因素和顆粒團(tuán)聚等多方面的影響。對(duì)于微細(xì)顆粒尤為明顯，首先，微細(xì)顆粒在篩子搖晃過(guò)程中顆粒與金屬篩網(wǎng)的摩擦、顆粒間的摩擦都會(huì)產(chǎn)生電荷，易造成凝聚成團(tuán)現(xiàn)象；其次，微細(xì)顆粒對(duì)水較為敏感，遇水極易形成顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象；最后，在篩分過(guò)程中微細(xì)顆粒比表面積較大，易吸附在篩網(wǎng)上造成篩眼堵塞而篩不下去。因此，篩分法對(duì)于小顆粒的分離能力大大降低，嚴(yán)重影響了篩分法對(duì)于小顆粒分離的準(zhǔn)確性。

圖2粒度分布直方圖

2.2 離心機(jī)法分離結(jié)果

從表1中可以看出，用離心機(jī)分離<2 μm和10～50 μm粒級(jí)的粒度含量都超過(guò)50%，而2～5 μm和5～10 μm粒級(jí)的粒度含量都未超過(guò)50%，粒級(jí)范圍區(qū)分不明顯，未達(dá)到理想的分離效果。這主要是由于影響離心機(jī)分離效果的因素較多，如轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、分離時(shí)間、轉(zhuǎn)鼓直徑、懸浮液高度等。另外采用離心機(jī)法在離心分離過(guò)程中，懸浮液物理特征的改變會(huì)影響到顆粒的沉降、滲透率、孔隙率等，同時(shí)懸浮液體積的不同也會(huì)導(dǎo)致顆粒沉降時(shí)間的不同。

2.3 靜水沉降法分離結(jié)果

由表2可以看出，不同的前處理方法對(duì)黃土粒度的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生不同程度的影響，也直觀的反映了它們對(duì)樣品分散效果的差異。方法(1) 處理后中值粒徑和平均粒徑均減小，粒徑變化在1.4倍；方法(2) 處理后中值粒徑和平均粒徑均減小，中值粒徑變化在1.4～1.7倍，平均粒徑變化在1.4～1.8倍，大于50 μm的顆粒含量明顯減小，變化在2.7～4.9倍；而方法(3)中加4%的(NaPO3)6分散劑并煮沸0.5 h處理后的測(cè)量數(shù)據(jù)與方法(1) 、方法(2) 處理后的測(cè)量數(shù)據(jù)相比，差異十分明顯：(1) 中值粒徑的變化在1.2～1.9倍。(2) 平均粒徑的變化在1.4～2倍。(3) 大于50 μm，2～5 μm和小于2 μm顆粒含量的變化比較明顯，其中2～5 μm和小于2 μm顆粒含量的最大值和最小值差別分別在1.7倍和1.6倍；大于50 μm的顆粒含量最大值和最小值差別在7.3倍。這表明前處理方法(3)中加4%的(NaPO3)6分散劑并煮沸0.5 h對(duì)黃土中的團(tuán)粒進(jìn)行了較好的分散，黏粒含量增加，因而中值粒徑和平均粒徑降低。由圖3可以看出，方法(4)處理后粒級(jí)小于2 μm的粒度含量變化明顯，變化范圍在3%～24%，其他各粒級(jí)變化范圍為0.2%～8.9%。因此，本試驗(yàn)對(duì)黃土采用加15 ml濃度為4%的(NaPO3)6分散劑，然后加水煮沸0.5 h使樣品充分分散的前處理方法。此方法為黃土類樣品常用前處理方法，被眾多實(shí)驗(yàn)室證明是目前較科學(xué)的方法。

表1 離心機(jī)法黃土顆粒分離結(jié)果

表2 黃土經(jīng)不同方法后粒度測(cè)試結(jié)果

圖3不同室溫下靜置黃土粒度分布直方圖

從表3可見(jiàn)，試驗(yàn)樣品經(jīng)靜水沉降法分級(jí)處理后，粒級(jí)范圍明顯的區(qū)分開(kāi)，分級(jí)效果顯著，如在<0.002 mm粒級(jí)試樣中，<0.002 mm(膠粒)顆粒達(dá)到了72.43%，分離效果較好，而0.002～0.005 mm(黏粒)，0.005～0.01 mm(細(xì)粉粒)和0.01～0.05 mm(粗粉粒)分離提取顆粒也占到了65.46%，61.74%和67.91%，都超過(guò)了粒度含量的50%，但對(duì)<0.002 mm(膠粒)顆粒分離所需時(shí)間較長(zhǎng)。同時(shí)靜水沉降法在各粒級(jí)顆粒的分離過(guò)程中仍存在著不同比例的其他粒級(jí)顆粒，均會(huì)出現(xiàn)不同粒級(jí)顆粒的交叉現(xiàn)象。這也是在利用Stokes原理進(jìn)行沉降法分級(jí)過(guò)程中常遇到的問(wèn)題。

表3 靜水沉降法黃土顆粒分離結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 對(duì)于粒徑大于0.05 mm的黃土顆粒，篩分法分離效果顯著，且重復(fù)性好，宜采用篩分法進(jìn)行顆粒分離。

(2) 對(duì)于粒徑小于0.05 mm的黃土顆粒，宜采用沉降法分離，但對(duì)<0.002 mm(膠粒)顆粒分離所需時(shí)間較長(zhǎng)。

(3) 加15 ml濃度為4%的(NaPO3)6分散劑，然后加水煮沸0.5 h的前處理方法能使黃土達(dá)到最佳分散狀態(tài)。

(4) 在黃土顆粒的分離過(guò)程中，宜采用篩分法—沉降法相結(jié)合的分離方法，對(duì)于粒徑大于0.05 mm的顆粒采用傳統(tǒng)的篩分法，而粒徑小于0.05 mm的顆粒采用靜水沉降法分離。

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ExperimentalStudyontheLoessParticleSeparationMethod

WANG Li1, LI Xian1,2, LUO Jianwen3, CAI Weibin4

(1.SchoolofGeologicalEngineeringandGeomatics,Chang′anUniversity,Xi′an710054,China; 2.OpenResearchLaboratoryofGeotechnicalEngineering,MinistryofLandandResources,Xi′an710054,China; 3.CompanylimitedofChangqingScienceandTechnology,Xi′an710021,China;4.SichuanInstituteofCoalFieldGeologicalEngineeringExplorationandDesigning,Chengdu610045,China)

In order to find out the most applicable separation method of loess grains, this research adopted three methods such as sieving method, centrifuge method and hydrostatic settlement method to do the particle separation experiment of Malan Loess in the first-stage project of Yan′an District and compared the results of three separation methods with the help of laser particle size analyzer. The results indicate that sieving method is mainly applicable to the separation of >0.05 mm loess grains. For <0.05 mm loess grains, the separation competence of sieving method is relatively limited and the reliability of separation results is low. On account of its own limitation and many influencing factors, the reliability of centrifuge method′s separation results is relatively low. Hydrostatic settlement method is mainly applicable to the separation of <0.05 mm loess grains and the reliability of its separation results is relatively high with a remarkable effect of particle sizing. However, for <0.002 mm loess grains, the time consumption of hydrostatic settlement method is a bit long. It is concluded that a combination method of sieving method and hydrostatic settlement method is the most applicable separation method to separate the loess particles; sieving method is for >0.05 mm coarse particles and hydrostatic settlement method is for <0.05 mm fine particles.

particle separation; sieving method; centrifuge method; hydrostatic settlement method; particle size analysis

S157

A

1005-3409(2017)06-0006-05

2016-09-21

2016-11-04

國(guó)家自然科學(xué)基金(41172255,41572264,41440044)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(2014G2260008)；西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司項(xiàng)目(CTEC(2014)Z-KY-013)

王力(1988—),男,陜西華縣人,碩士研究生,主要研究方向黃土工程地質(zhì)及地質(zhì)災(zāi)害防治。E-mail:cadxwangli@163.com

李喜安(1968—),男,陜西丹鳳人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事黃土地質(zhì)災(zāi)害方面的教學(xué)與科研工作。E-mail:dclixa@chd.edu.cn