孟令福，常高奇

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

粒度分析通常指的是對(duì)顆粒粒徑成分進(jìn)行分析。粒度分析的方法和對(duì)象非常廣。對(duì)易于分散的樣品，通常采用篩析法和沉降法；對(duì)固結(jié)較緊且又不易解離的碎屑沉積，通常采用薄片鑒定法；對(duì)粗大的礫石通常采用直接測(cè)量法。根據(jù)分析結(jié)果，可推測(cè)沉積物的形成條件和環(huán)境。對(duì)于不同原理的粒度分析方法，所依據(jù)的測(cè)量原理不同，其設(shè)定顆粒特性也不相同，可以進(jìn)行等效對(duì)比，不能進(jìn)行橫向直接對(duì)比。在土試驗(yàn)室中，通常需要對(duì)土樣進(jìn)行粒徑分析，針對(duì)不同的土樣特征，常用的方法主要有篩析法、靜水沉降法（密度計(jì)法）、篩析-密度計(jì)聯(lián)合法等方法。這些傳統(tǒng)方法普遍具有測(cè)試速度慢、測(cè)試范圍有限、操作復(fù)雜等特征，而且對(duì)于某些特殊的樣品粒徑分析則不適合，比如水樣中的固體粒徑分析等。針對(duì)這些情況，在工程中引入激光粒度分析儀，激光粒度儀[1]作為一種新型的粒度測(cè)試儀器，應(yīng)用十分廣泛，它的特點(diǎn)是測(cè)試速度快、測(cè)試范圍寬、重復(fù)性和真實(shí)性好、操作簡便，快速進(jìn)行水中顆粒粒徑分析[2-3]等。激光粒度儀是根據(jù)顆粒能使激光產(chǎn)生散射[4]這一物理現(xiàn)象測(cè)試粒度分布，當(dāng)一束平行光遭遇到顆粒阻擋時(shí)，一部分光將發(fā)生散射，散射光的傳播方向和主光束的傳播方向性形成散射角；它的大小和顆粒的大小有關(guān)，顆粒越大，產(chǎn)生的散射角越小，反之則越大；同時(shí)，散射光的強(qiáng)度代表該粒徑顆粒的數(shù)量，所以，在不同的角度上測(cè)量散射光的強(qiáng)度，就可以得到樣品的粒度分布[5]。

1 激光粒度分析儀試驗(yàn)影響因素分析

激光粒度儀是基于激光光散射技術(shù)表征顆粒樣品粒徑分布的儀器，測(cè)試的粒徑范圍0.01～3 500 μm?？蓽y(cè)出介質(zhì)（通常為水）中單獨(dú)個(gè)體，比如固體、液體以及氣泡等[6]。采用激光粒度分析儀測(cè)試土樣的顆粒組成試驗(yàn)中，影響因素主要包括以下幾個(gè)方面：第一，參數(shù)的設(shè)置，介質(zhì)水的折射率（通常取1.33），試驗(yàn)樣品的折射率、吸收率；第二，樣品濃度設(shè)置，通過設(shè)置遮光度[7]范圍，方便控制加樣濃度，樣品濃度低易導(dǎo)致散射光信噪比差，濃度過高會(huì)引起的多重光散射；第三，樣品的處理，樣品的處理主要是過篩、浸泡、超聲波、分散劑等，這些處理方式會(huì)影響樣品在介質(zhì)中的分散情況、氣泡多少等。第四，人為操作影響，試驗(yàn)中樣品用量極少，因此樣品本身均勻性、選用以及添加的方式就可能造成較大的影響。

通過試驗(yàn)研究以及分析，對(duì)比傳統(tǒng)顆粒分析試驗(yàn)方法，對(duì)采用激光粒度儀進(jìn)行粒徑分析影響因素研究后得出以下結(jié)論成果。

試驗(yàn)溫度、土樣顏色、樣品含量等對(duì)介質(zhì)折射率的影響程度有限，而折射率小范圍的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響也不大，無特殊的高精度要求時(shí)，試驗(yàn)中介質(zhì)水折射率可直接設(shè)定為1.33，不需要每次試驗(yàn)都通過專門儀器測(cè)定樣品池中液體的折射率；根據(jù)土樣顆粒顏色，選定一個(gè)吸收率，觀測(cè)實(shí)驗(yàn)后光能的數(shù)據(jù)和擬合（加權(quán)）的差異情況；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先設(shè)定土樣的折射率，再觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的數(shù)據(jù)和擬合，通常殘差應(yīng)小于1 %，殘差與加權(quán)殘差應(yīng)接近，殘差越小越好，但同時(shí)也應(yīng)考慮樣品分布；在添加樣品時(shí)，使用的添加到樣品池中的土樣很少，樣品的添加極容易引起遮光度的大幅度變化，要隨時(shí)觀測(cè)樣品池的遮光度情況，將其遮光度控制到10 %～15 %之間，不能超過20 %。

樣品過篩，不僅篩出了大顆粒，相應(yīng)也篩掉部分的粉粒與黏粒，這就造成了過篩后測(cè)得的結(jié)果分選變差，粒徑范圍變小，另外，過篩后的土樣堆積呈現(xiàn)分層狀，即便是混合后也不是天然狀態(tài)的情況，試驗(yàn)中選取的土樣也不能充分代表天然狀態(tài)下的土樣粒徑分布，因此，在實(shí)際試驗(yàn)前，應(yīng)先肉眼觀察以及手搓土樣，若大顆粒（粒徑大于3 500 μm）含量較多，則可篩后再進(jìn)行激光粒度分析，或者用其他方法進(jìn)行試驗(yàn)，若不含大顆?；蛘吆枯^少，則直接進(jìn)行試驗(yàn)即可；試驗(yàn)前的土樣浸泡處理有顯著的效果，試驗(yàn)中土樣使用量較少，浸泡后土樣盡量保持均勻的糊狀，這樣在樣品取用時(shí)才更具有代表性；試驗(yàn)前的超聲試驗(yàn)，效果規(guī)律不一致，形成的水土懸濁液在取樣時(shí)誤差較大，該處理方法不適用于試驗(yàn)前的處理；在試驗(yàn)前，為防止土樣中氣泡以及未分散的大顆粒的影響，應(yīng)進(jìn)行煮沸處理，并加入少量4 %濃度的六偏磷酸鈉分散劑。另外，由于土樣的煮沸需要在水中進(jìn)行，水對(duì)土樣有浸泡的作用，靜置后大顆粒先行下沉，而小顆粒后下沉，因此，煮沸的水土樣應(yīng)類似為漿糊，在試驗(yàn)前應(yīng)不斷攪拌，保證土樣的大小顆粒分布均勻，再進(jìn)行試驗(yàn)。土樣煮沸添加分散劑后不能靜置太長時(shí)間，由于六偏磷酸鈉吸濕性很強(qiáng)，露置于空氣中能逐漸吸收水分使土樣呈黏膠狀物且與鈣、鎂等金屬離子能生成可溶性絡(luò)合物，影響試驗(yàn)結(jié)果。

2 激光粒度分析儀法與密度計(jì)法的對(duì)比

激光粒度儀是根據(jù)顆粒能使激光產(chǎn)生散射這一物理現(xiàn)象測(cè)試粒度分布。密度計(jì)法是根據(jù)斯托克定律計(jì)算得出樣品的粒度分布。兩種方法采用的理論完全不同，得出的結(jié)果就會(huì)有一定的差異，例如，假設(shè)某土粒實(shí)際的直徑為4.5 μm，采用激光粒度分析儀測(cè)定的土粒直徑可能為4 μm，而采用密度計(jì)測(cè)定的土粒直徑則可能為5 μm，這樣就造成了兩種方法測(cè)定后的兩種結(jié)果。由于實(shí)際工程中密度計(jì)應(yīng)用已經(jīng)成熟廣泛，而激光粒度分析儀在土試驗(yàn)中并不廣泛，密度計(jì)法和激光粒度分析儀法采用的理論基礎(chǔ)不同，試驗(yàn)結(jié)果不同[8]，但其所確定的土顆粒的粒徑間有一定的規(guī)律性，本文將對(duì)比分析兩種方法試驗(yàn)結(jié)果的差異，找出兩種方法結(jié)果的規(guī)律與關(guān)系。

為研究兩種方法中對(duì)粒徑的確定結(jié)果的關(guān)系，隨機(jī)選用了大量的土樣分別進(jìn)行密度計(jì)法顆分試驗(yàn)以及激光粒度分析儀法顆分試驗(yàn)。密度計(jì)法顆分試驗(yàn)采用一定質(zhì)量的試樣加入4 %濃度的六偏磷酸鈉10 ml，混合成1 000 ml的懸液，然后進(jìn)行試驗(yàn)。激光粒度分析儀法顆分試驗(yàn)采用一定量土樣浸泡煮沸后加入少量4 %濃度的六偏磷酸鈉，調(diào)至“糊狀”，并攪拌均勻后再進(jìn)行試驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)兩種試驗(yàn)方法下每一個(gè)土樣測(cè)定的各粒組的百分含量，表1為部分土樣的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表中，小于0.005 mm粒徑表示粘粒、粒徑0.005～0.075 mm表粉粒示、粒徑大于0.075 mm表示砂粒。

為研究激光粒度分析儀試驗(yàn)方法相對(duì)密度計(jì)法的變化情況，對(duì)表1中的結(jié)果進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，令每個(gè)土樣的每一粒組的激光粒度分析儀實(shí)驗(yàn)結(jié)果減去密度計(jì)法試驗(yàn)結(jié)果，然后統(tǒng)計(jì)計(jì)算每一粒組變化值，統(tǒng)計(jì)計(jì)算各粒組的最大值、最小值、平均值、變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)值等，結(jié)果如表2所示。

表1 土樣各粒組百分含量

表2 兩種方法試驗(yàn)結(jié)果各粒組變化統(tǒng)計(jì)

由表2可知：1）粘粒含量的變化相對(duì)較小，而砂粒與粉粒變化相對(duì)較大；2）激光粒度分析試驗(yàn)方法相比于密度計(jì)法，其砂粒與粘粒含量增大，增大標(biāo)準(zhǔn)值分別為4.69和9.55，增大平均值分別為6.76和3.78；粉粒含量減小，減小標(biāo)準(zhǔn)值為13.54，減小平均值11.40；3）粉粒的變化的平均值與標(biāo)準(zhǔn)值均為負(fù)，說明大體滿足激光粒度分析儀試驗(yàn)的粉粒含量小于密度計(jì)法的粉粒含量的規(guī)律，而粘粒與砂粒變化的平均值與標(biāo)準(zhǔn)值均為正，說明大體滿足激光粒度分析儀試驗(yàn)的砂粒與粘粒含量大于密度計(jì)法的砂粒與粘粒含量的規(guī)律；4）無論何種粒組的變化量的變異系數(shù)絕對(duì)值均較大，單純通過平均值或者標(biāo)準(zhǔn)值來表征兩種試驗(yàn)方法的變化規(guī)律，誤差較大。

為較準(zhǔn)確的表示激光粒度分析儀試驗(yàn)方法與密度計(jì)試驗(yàn)方法試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況，對(duì)表1中兩種方法的各粒組百分含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以密度計(jì)試驗(yàn)結(jié)果為自變量，以激光粒度分析試驗(yàn)結(jié)果為因變量，并剔除部分異常數(shù)值后，分別繪制各級(jí)粒組下的密度計(jì)法與激光粒度分析儀法關(guān)系圖，見圖1、圖2、圖3所示。

圖1 各級(jí)粒組密度計(jì)法與分析儀法關(guān)系

根據(jù)圖1、圖2、圖3所示兩種試驗(yàn)方法的關(guān)系，以密度計(jì)法測(cè)得的各粒組百分含量為n，以激光粒度分析儀法測(cè)得的各粒組百分含量為N，數(shù)據(jù)擬合后的激光粒度分析儀法試驗(yàn)與密度計(jì)法試驗(yàn)各粒組相關(guān)方程見表3所示，其各個(gè)數(shù)據(jù)擬合公式的相關(guān)系數(shù)均大于相應(yīng)的臨界相關(guān)值，說明公式可靠性高。另外，土樣的各粒組含量百分?jǐn)?shù)之和應(yīng)為100 %，因此公式轉(zhuǎn)換后，應(yīng)滿足這個(gè)條件，若不滿足，可進(jìn)行等比例增大或減小，使其滿足這個(gè)條件。因此，在合理的范圍內(nèi)使用表3中兩種方法試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)公式，可初步進(jìn)行兩者粒徑含量的轉(zhuǎn)換，為實(shí)際工程應(yīng)用提供支持。

表3 分析儀法與密度計(jì)法試驗(yàn)各粒組相關(guān)方程

3 結(jié)語

1）激光粒度分析儀進(jìn)行粒徑分析試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置應(yīng)在合理的范圍內(nèi)，并根據(jù)不同的土樣動(dòng)態(tài)變化。

2）激光粒度分析儀顆分試驗(yàn)中可采用一定量土樣浸泡煮沸后加入少量4 %濃度的六偏磷酸鈉，調(diào)至“糊狀”，并攪拌均勻后在進(jìn)行試驗(yàn)。在某些特殊情況下也可直接進(jìn)行試驗(yàn)，如需要快速進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)、測(cè)定某水樣品中土顆粒含量時(shí)等情況。

3）激光粒度分析試驗(yàn)方法相比于密度計(jì)法，其砂粒與粘粒含量增大，增大標(biāo)準(zhǔn)值分別為4.69和9.55；粉粒含量減小，減小標(biāo)準(zhǔn)值為13.54。滿足激光粒度分析儀試驗(yàn)的粉粒含量小于密度計(jì)法的粉粒含量的規(guī)律，砂粒與粘粒含量大于密度計(jì)法的砂粒與粘粒含量的規(guī)律。

4）激光粒度分析儀的試驗(yàn)結(jié)果直接用于工程實(shí)踐尚缺乏經(jīng)驗(yàn)，其與勘察巖土試驗(yàn)中常用的密度計(jì)法測(cè)定的黏粒含量的結(jié)果有一定的差異性，根據(jù)表3中數(shù)據(jù)擬合后的激光粒度分析儀法試驗(yàn)與密度計(jì)法試驗(yàn)各粒組相關(guān)方程進(jìn)行轉(zhuǎn)換。