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粒度分析

什么是粒度分析?

粒度分析,也称为颗粒级配分析,是表征土壤、骨料和其他颗粒材料最重要的岩土工程测试之一。简单来说,它是确定构成样品的各种颗粒尺寸分布的过程。其结果对于预测材料的力学和水力学行为至关重要。 [1]

想象一个沙子样本。它不是由单一尺寸的颗粒组成,而是由从细到粗的各种颗粒混合而成。粒度分析使我们能够量化这种分布,揭示样品中每个粒径“等级”(如粘土、粉土、细沙、粗沙、砾石等)所占的百分比。 [1]

如何使用此工具

请按照以下简单步骤在线进行粒度分析:

1

访问计算器

导航至侧边菜单中的“分析”选项卡以查看数据输入表。

2

输入数据

在“筛孔 (mm)”列中填写筛子的孔径,在“筛余质量 (g)”列中填写每个筛子上截留的材料重量。

3

添加更多筛子

如果需要更多行来容纳您的筛子,只需点击“新建一行”按钮。要加载示例数据集,请使用“示例”按钮。

4

计算结果

输入数据后,点击绿色的“分析”按钮。系统将自动计算所有百分比、系数(Cu、Cc)和特征粒径(D10、D30、D60)。

5

查看图表

向下滚动页面以查看交互式粒度分布曲线。将鼠标悬停在点上可查看确切值。

6

生成报告

如需正式记录,请点击“生成报告”。为您的文档命名,系统将生成一份包含表格和图表的专业PDF文件。

为什么粒度分析如此重要?

颗粒大小分布直接影响材料的关键属性,对各个领域产生影响:

土木工程

对于混凝土配合比设计、路面基层材料选择以及水坝和堤防的建设至关重要。级配良好的材料往往更密实、更坚固。 [2]

地质学与农学

有助于对土壤进行分类,了解其成因并确定其农业适宜性。土壤质地影响通气性、持水能力和养分有效性。 [1]

工业

用于水泥、陶瓷和药品等产品的质量控制,其中颗粒大小会影响最终产品的反应性、溶解度和质地。

主要分析方法

粒度分布的测定通常通过两种主要方法进行,这两种方法可以结合使用:

1. 筛分法

这是最常用的方法。将干燥的样品通过一系列筛孔逐渐变小的筛子。通过摇动筛组,颗粒按大小分离。然后称量每个筛子上截留的材料质量,以确定相应的百分比。 [1]

此方法对大于0.075毫米的颗粒(沙和砾石)有效。

2. 沉降法

对于细颗粒(粉土和粘土),筛分法不适用。沉降法基于斯托克斯定律,该定律将颗粒在流体中的沉降速度与其直径联系起来。通过测量悬浮液密度随时间的变化,可以计算出每个粒径的百分比。 [1]

适用于小于0.075毫米的颗粒。

在水处理中的应用

粒度分析是水处理厂(WTPs)设计和运营中的一个基本参数,尤其是在过滤过程中,其效率直接取决于滤料。

滤池设计(砂和无烟煤)

滤料(砂、无烟煤)的粒径分布对于去除杂质至关重要。技术标准定义了“有效粒径”(D10)和“均匀系数”(Cu),以确保处理后水的质量和适当的过滤周期。 [3]

支撑层选择(砾石)

支撑砂床的砾石层根据级配进行尺寸设计,以允许水通过并防止在反冲洗过程中砂的流失。 [3]

反冲洗效率

级配不当的滤料可能导致反冲洗过程中流化不正确,从而导致清洗效率低下、材料流失或形成“优势流”通道。

解读粒度分布曲线

分析的最终结果通过**粒度分布曲线**以图形方式表示。由此计算出均匀系数(Cu)和曲率系数(Cc),这有助于根据土壤的级配对其进行分类。 [1]

Y轴(垂直)显示通过给定筛子的材料百分比。

X轴(水平)在对数刻度上表示颗粒直径。

曲线的斜率揭示了土壤的性质:

  • **级配良好:** 曲线平滑,分布在广泛的直径范围内(对于沙土,通常Cu > 4且1 < Cc < 3)。
  • **级配不良(或均匀):** 曲线陡峭,集中在狭窄的直径范围内。
  • **不连续级配(或‘跳级’):** 曲线出现平台,表明在某个尺寸范围内缺少颗粒。

粒度分析数据表示例

筛号 (中国标准) 筛孔 (mm) 筛余质量 (g) 筛余 % 累计筛余 % 通过 %
4号 4.75 0.0 0.0% 0.0% 100.0%
10号 2.00 45.5 9.1% 9.1% 90.9%
20号 0.85 89.0 17.8% 26.9% 73.1%
40号 0.425 112.5 22.5% 49.4% 50.6%
60号 0.250 98.0 19.6% 69.0% 31.0%
100号 0.150 75.5 15.1% 84.1% 15.9%
200号 0.075 45.0 9.0% 93.1% 6.9%
底盘 - 34.5 6.9% 100.0% 0.0%
样品总质量:500.0 克

结论:不可或缺的工具

粒度分析远不止是一个简单的实验室程序;它是一项基础技术,为颗粒材料的行为提供了重要信息。无论是确保工程项目的安全、优化工业流程,还是了解生态系统的动态,粒度分析都是做出明智技术决策的基础。

技术参考文献

  1. DAS, Braja M.; SOBHAN, Khaled. **Principles of Geotechnical Engineering**. 第9版. Cengage Learning, 2018.
  2. NEVILLE, A. M. **Properties of Concrete**. 第5版. Pearson, 2011.
  3. 巴西技术标准协会. **NBR 12216**: Projeto de estação de tratamento de água para abastecimento público. 里约热内卢, 1992.