激光粒度分析儀在土顆粒分析試驗中的應用

孟令福，常高奇

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

粒度分析通常指的是對顆粒粒徑成分進行分析。粒度分析的方法和對象非常廣。對易于分散的樣品，通常采用篩析法和沉降法；對固結較緊且又不易解離的碎屑沉積，通常采用薄片鑒定法；對粗大的礫石通常采用直接測量法。根據分析結果，可推測沉積物的形成條件和環境。對于不同原理的粒度分析方法，所依據的測量原理不同，其設定顆粒特性也不相同，可以進行等效對比，不能進行橫向直接對比。在土試驗室中，通常需要對土樣進行粒徑分析，針對不同的土樣特征，常用的方法主要有篩析法、靜水沉降法（密度計法）、篩析-密度計聯合法等方法。這些傳統方法普遍具有測試速度慢、測試范圍有限、操作復雜等特征，而且對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試儀器，應用十分廣泛，它的特點是測試速度快、測試范圍寬、重復性和真實性好、操作簡便，快速進行水中顆粒粒徑分析[2-3]等。激光粒度儀是根據顆粒能使激光產生散射[4]這一物理現象測試粒度分布，當一束平行光遭遇到顆粒阻擋時，一部分光將發生散射，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，顆粒越大，產生的散射角越小，反之則越大；同時，散射光的強度代表該粒徑顆粒的數量，所以，在不同的角度上測量散射光的強度，就可以得到樣品的粒度分布[5]。

1 激光粒度分析儀試驗影響因素分析

激光粒度儀是基于激光光散射技術表征顆粒樣品粒徑分布的儀器，測試的粒徑范圍0.01～3 500 μm。可測出介質（通常為水）中單獨個體，比如固體、液體以及氣泡等[6]。采用激光粒度分析儀測試土樣的顆粒組成試驗中，影響因素主要包括以下幾個方面：第一，參數的設置，介質水的折射率（通常取1.33），試驗樣品的折射率、吸收率；第二，樣品濃度設置，通過設置遮光度[7]范圍，方便控制加樣濃度，樣品濃度低易導致散射光信噪比差，濃度過高會引起的多重光散射；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，這些處理方式會影響樣品在介質中的分散情況、氣泡多少等。第四，人為操作影響，試驗中樣品用量極少，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。

通過試驗研究以及分析，對比傳統顆粒分析試驗方法，對采用激光粒度儀進行粒徑分析影響因素研究后得出以下結論成果。

試驗溫度、土樣顏色、樣品含量等對介質折射率的影響程度有限，而折射率小范圍的變化對試驗結果的影響也不大，無特殊的高精度要求時，試驗中介質水折射率可直接設定為1.33，不需要每次試驗都通過專門儀器測定樣品池中液體的折射率；根據土樣顆粒顏色，選定一個吸收率，觀測實驗后光能的數據和擬合（加權）的差異情況；根據經驗先設定土樣的折射率，再觀測實驗結果中的數據和擬合，通常殘差應小于1 %，殘差與加權殘差應接近，殘差越小越好，但同時也應考慮樣品分布；在添加樣品時，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，要隨時觀測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，相應也篩掉部分的粉粒與黏粒，這就造成了過篩后測得的結果分選變差，粒徑范圍變小，另外，過篩后的土樣堆積呈現分層狀，即便是混合后也不是天然狀態的情況，試驗中選取的土樣也不能充分代表天然狀態下的土樣粒徑分布，因此，在實際試驗前，應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，則可篩后再進行激光粒度分析，或者用其他方法進行試驗，若不含大顆粒或者含量較少，則直接進行試驗即可；試驗前的土樣浸泡處理有顯著的效果，試驗中土樣使用量較少，浸泡后土樣盡量保持均勻的糊狀，這樣在樣品取用時才更具有代表性；試驗前的超聲試驗，效果規律不一致，形成的水土懸濁液在取樣時誤差較大，該處理方法不適用于試驗前的處理；在試驗前，為防止土樣中氣泡以及未分散的大顆粒的影響，應進行煮沸處理，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行，水對土樣有浸泡的作用，靜置后大顆粒先行下沉，而小顆粒后下沉，因此，煮沸的水土樣應類似為漿糊，在試驗前應不斷攪拌，保證土樣的大小顆粒分布均勻，再進行試驗。土樣煮沸添加分散劑后不能靜置太長時間，由于六偏磷酸鈉吸濕性很強，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合物，影響試驗結果。

2 激光粒度分析儀法與密度計法的對比

激光粒度儀是根據顆粒能使激光產生散射這一物理現象測試粒度分布。密度計法是根據斯托克定律計算得出樣品的粒度分布。兩種方法采用的理論完全不同，得出的結果就會有一定的差異，例如，假設某土粒實際的直徑為4.5 μm，采用激光粒度分析儀測定的土粒直徑可能為4 μm，而采用密度計測定的土粒直徑則可能為5 μm，這樣就造成了兩種方法測定后的兩種結果。由于實際工程中密度計應用已經成熟廣泛，而激光粒度分析儀在土試驗中并不廣泛，密度計法和激光粒度分析儀法采用的理論基礎不同，試驗結果不同[8]，但其所確定的土顆粒的粒徑間有一定的規律性，本文將對比分析兩種方法試驗結果的差異，找出兩種方法結果的規律與關系。

為研究兩種方法中對粒徑的確定結果的關系，隨機選用了大量的土樣分別進行密度計法顆分試驗以及激光粒度分析儀法顆分試驗。密度計法顆分試驗采用一定質量的試樣加入4 %濃度的六偏磷酸鈉10 ml，混合成1 000 ml的懸液，然后進行試驗。激光粒度分析儀法顆分試驗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，調至“糊狀”，并攪拌均勻后再進行試驗。統計兩種試驗方法下每一個土樣測定的各粒組的百分含量，表1為部分土樣的統計結果，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方法相對密度計法的變化情況，對表1中的結果進行分析統計，令每個土樣的每一粒組的激光粒度分析儀實驗結果減去密度計法試驗結果，然后統計計算每一粒組變化值，統計計算各粒組的最大值、最小值、平均值、變異系數、標準值等，結果如表2所示。

表1 土樣各粒組百分含量

表2 兩種方法試驗結果各粒組變化統計

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

為較準確的表示激光粒度分析儀試驗方法與密度計試驗方法試驗結果的對比情況，對表1中兩種方法的各粒組百分含量進行統計，以密度計試驗結果為自變量，以激光粒度分析試驗結果為因變量，并剔除部分異常數值后，分別繪制各級粒組下的密度計法與激光粒度分析儀法關系圖，見圖1、圖2、圖3所示。

圖1 各級粒組密度計法與分析儀法關系

根據圖1、圖2、圖3所示兩種試驗方法的關系，以密度計法測得的各粒組百分含量為n，以激光粒度分析儀法測得的各粒組百分含量為N，數據擬合后的激光粒度分析儀法試驗與密度計法試驗各粒組相關方程見表3所示，其各個數據擬合公式的相關系數均大于相應的臨界相關值，說明公式可靠性高。另外，土樣的各粒組含量百分數之和應為100 %，因此公式轉換后，應滿足這個條件，若不滿足，可進行等比例增大或減小，使其滿足這個條件。因此，在合理的范圍內使用表3中兩種方法試驗結果的相關公式，可初步進行兩者粒徑含量的轉換，為實際工程應用提供支持。

表3 分析儀法與密度計法試驗各粒組相關方程

3 結語

1）激光粒度分析儀進行粒徑分析試驗時試驗的參數設置應在合理的范圍內，并根據不同的土樣動態變化。

2）激光粒度分析儀顆分試驗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，調至“糊狀”，并攪拌均勻后在進行試驗。在某些特殊情況下也可直接進行試驗，如需要快速進行試驗時、測定某水樣品中土顆粒含量時等情況。

3）激光粒度分析試驗方法相比于密度計法，其砂粒與粘粒含量增大，增大標準值分別為4.69和9.55；粉粒含量減小，減小標準值為13.54。滿足激光粒度分析儀試驗的粉粒含量小于密度計法的粉粒含量的規律，砂粒與粘粒含量大于密度計法的砂粒與粘粒含量的規律。

4）激光粒度分析儀的試驗結果直接用于工程實踐尚缺乏經驗，其與勘察巖土試驗中常用的密度計法測定的黏粒含量的結果有一定的差異性，根據表3中數據擬合后的激光粒度分析儀法試驗與密度計法試驗各粒組相關方程進行轉換。