篩分試驗：顆粒材料粒度分析的基石方法

副標題： 原理、操作與應用指南

篩分試驗是測定顆粒狀物料（如砂、礫石、碎石、土壤、礦粉、化工原料等）粒度組成（或稱顆粒級配）最經典、最直觀的物理分析方法之一。它通過一系列標準篩網，將物料按粒徑大小進行分離和定量分析，為材料選擇、質量控制、工藝設計及理論研究提供至關重要的基礎數據。

一、篩分試驗的基本原理

篩分試驗的核心原理是機械篩分。將已知質量的物料置于一套孔徑自上而下依次減小的標準篩（篩子按孔徑從大到小疊放）的最上層篩網上。通過機械振動或手工搖動，小于當前篩網孔徑的顆粒（篩下物）穿過篩網落入下一層更細的篩網或底盤上，而大于當前篩網孔徑的顆粒（篩上物）則留在該層篩網上。如此逐層進行，最終物料被分成若干不同粒徑范圍的組份。

• 關鍵參數：
  • 篩孔尺寸： 標準篩的孔徑，以毫米（mm）或微米（µm）表示，遵循特定的標準系列（如ISO、ASTM、GB等）。
  • 篩余量： 停留在某一篩網上的物料質量。
  • 通過量： 通過某一篩網的物料質量。
  • 篩余百分率： 某一粒徑組份的質量占總試樣質量的百分比。
  • 累計篩余百分率： 大于某一篩孔尺寸的所有組份的質量百分率之和。
  • 通過百分率： 小于某一篩孔尺寸的所有組份的質量百分率之和（= 100% - 累計篩余百分率）。

二、篩分試驗的目的與意義

1. 確定粒度分布： 獲得物料中不同粒徑顆粒所占的比例，繪制粒度分布曲線（篩分曲線），直觀反映物料的整體粗細程度和均勻性。
2. 材料分類與規格控制： 判斷物料是否符合特定工程或產品對粒度的要求（例如混凝土用砂的級配區、瀝青混合料集料的規格、過濾介質的粒徑范圍等）。
3. 工藝優化： 為破碎、研磨、分選等加工工藝提供依據，優化設備參數和流程。
4. 質量控制與驗收： 在生產和使用環節，監控原材料和產品的粒度穩定性。
5. 科學研究： 研究顆粒物料的物理性質（如滲透性、壓實性、流動性、反應活性等）與粒度分布的關系。
6. 土工試驗基礎： 在土壤力學中，篩分是確定土樣顆粒組成的第一步，用于土壤分類（如確定砂、礫石含量）。

三、篩分試驗所需儀器設備

1. 標準試驗篩： 一套符合國家標準或國際標準的金屬絲編織網篩或金屬穿孔板篩。篩框通常為圓形或方形，篩網牢固安裝在篩框上。篩子按孔徑大小依次嵌套，最大孔徑篩在上，最小孔徑篩在下，最底部為接料底盤，最頂部有篩蓋。
2. 振篩機： 提供標準化振動或拍擊的機械裝置，確保篩分效率和一致性。對于精細物料或要求高的場合，振篩機是必需的。
3. 天平： 精度滿足試驗要求（通常精確到0.1%或0.1g，視樣品量和要求而定），用于稱量試樣總質量及各篩余量。
4. 烘箱： 用于烘干試樣（尤其含水分物料），確保試驗結果基于干質量（除非試驗規程允許濕篩）。
5. 毛刷： 軟毛刷用于清理篩網上的顆粒，防止堵塞。
6. 盛料容器及輔助工具： 樣品盤、勺子、分樣器等。

四、篩分試驗操作步驟（干篩法通用流程）

1. 試樣制備：
   • 按相關標準規定的方法從大批物料中采集具有代表性的樣品。
   • 若物料潮濕或含泥，需將試樣放入烘箱（通常105±5°C）烘干至恒重，冷卻至室溫。
   • 根據最大粒徑和標準規定，確定所需的試樣最小質量。
   • 用分樣器或四分法將總樣縮分至試驗所需質量（記錄為M總）。
2. 套篩組裝： 將選好的一套標準篩，按孔徑從大到小的順序自上而下疊放（最大孔徑篩在頂部），最下方放置接料底盤，頂部蓋上篩蓋。
3. 試樣裝入： 將稱量好的干燥試樣（M總）小心倒入最頂層的篩子中。
4. 篩分過程：
   • 手工篩分： 雙手握住套篩，在平整臺面上，以約150次/分的速率，按順時針、逆時針及上下方向輕輕搖動和拍打套篩。持續規定時間（通常幾分鐘），直至各篩每分鐘通過的物料量小于試樣總質量的0.1%為止。
   • 機械篩分： 將裝有試樣的套篩牢固安裝在振篩機上，設定規定的振動/拍擊頻率和時間（通常5-15分鐘）。啟動振篩機。
5. 篩余物稱量：
   • 篩分結束后，小心取下套篩。
   • 依次將每個篩子及底盤上的物料分別倒入已知質量的樣品盤中。
   • 用軟毛刷輕輕刷凈篩網背面及篩框上的附著顆粒，并入對應篩級的樣品中。
   • 稱量每個篩上物（篩余物）的質量（m1, m2, ..., mn）和底盤上的物料質量（m底）。記錄所有質量。
6. 數據校驗： 計算所有篩余物質量與底盤物料質量之和（Σm篩余）。Σm篩余與試樣總質量M總的差值（損失量）應不超過M總的1%（或按具體標準要求）。若超差，試驗需重做。
7. 數據處理與結果表達：
   • 計算各篩余百分率：(單個篩余質量 mi / M總) × 100%
   • 計算累計篩余百分率（Ai）：從最大孔徑篩開始，逐級累加該篩及以上所有篩的篩余百分率。
   • 計算通過百分率（Pi）：Pi = 100% - Ai （Ai為對應篩孔的累計篩余百分率）。
   • 繪制篩分曲線（粒度分布曲線）：通常在半對數坐標紙上，以篩孔尺寸（對數坐標）為橫坐標，通過百分率（算術坐標）為縱坐標，將各篩孔對應的通過百分率點連成平滑曲線。
   • 計算特征粒徑：如d10（有效粒徑，通過率為10%對應的粒徑）、d30、d60（控制粒徑）、d50（中值粒徑）、不均勻系數Cu（=d60/d10）、曲率系數Cc（=(d30)²/(d60*d10)）等（常用于土壤及集料分析）。
   • 填寫篩分試驗記錄表。

五、試驗注意事項與誤差控制

1. 代表性取樣： 這是獲得可靠結果的前提。
2. 試樣干燥： 確保試樣完全干燥（水分會影響顆粒流動性和稱量精度），除非規程允許濕篩。
3. 篩網完好性： 試驗前檢查篩網是否有破損、變形或堵塞。篩孔尺寸需定期校驗。
4. 篩分時間與強度： 嚴格按照規程操作，避免篩分不足（顆粒未充分分離）或過度篩分（顆粒破碎）。
5. 稱量精度： 使用合適量程和精度的天平，仔細稱量。
6. 損失控制： 操作輕柔，防止物料濺出；毛刷清理徹底但避免損壞篩網。
7. 篩分方式選擇： 對含細粒或易團聚的物料，可能需采用濕篩法（加水輔助分散）或結合沉降法分析。
8. 標準一致性： 篩子規格、篩分時間、結果計算方法等必須嚴格遵循所采用的試驗標準（如GB/T 14684《建設用砂》、GB/T 14685《建設用卵石、碎石》、ASTM C136/C136M、ISO 3310-1等）。

六、篩分試驗結果的應用

• 工程材料評價： 確定骨料級配是否符合混凝土、瀝青混合料、基層材料等的規范要求。
• 土壤工程分類： 作為土壤分類（如《土的工程分類標準》GB/T 50145）的基礎數據。
• 過濾介質選擇： 確定砂濾料、活性炭等過濾材料的有效粒徑和不均勻系數。
• 研磨工藝優化： 評估研磨產品的細度，指導磨機調整。
• 產品質量控制： 監控粉末、顆粒狀工業產品（如化肥、催化劑、顏料）的粒度規格。
• 科學研究： 分析顆粒物料堆積密度、孔隙率、滲透性、強度等物理力學性質與粒度分布的關系。

篩分試驗以其原理簡單直觀、設備相對普及、成本較低的優勢，成為顆粒物料粒度分析不可或缺的常規方法。掌握其標準操作流程、理解數據處理方法并嚴格遵守注意事項，是獲得準確、可靠粒度分布數據的關鍵。這些數據為材料應用、工藝設計、質量控制和科學研究奠定了堅實的實踐基礎。盡管現代激光衍射等粒度分析技術發展迅速，篩分試驗因其結果的直觀性和在某些粒徑范圍（特別是粗顆粒）的準確性，仍在眾多領域保持著核心地位。