筛分试验：颗粒材料粒度分析的基石方法

副标题： 原理、操作与应用指南

筛分试验是测定颗粒状物料（如砂、砾石、碎石、土壤、矿粉、化工原料等）粒度组成（或称颗粒级配）最经典、最直观的物理分析方法之一。它通过一系列标准筛网，将物料按粒径大小进行分离和定量分析，为材料选择、质量控制、工艺设计及理论研究提供至关重要的基础数据。

一、筛分试验的基本原理

筛分试验的核心原理是机械筛分。将已知质量的物料置于一套孔径自上而下依次减小的标准筛（筛子按孔径从大到小叠放）的最上层筛网上。通过机械振动或手工摇动，小于当前筛网孔径的颗粒（筛下物）穿过筛网落入下一层更细的筛网或底盘上，而大于当前筛网孔径的颗粒（筛上物）则留在该层筛网上。如此逐层进行，最终物料被分成若干不同粒径范围的组份。

• 关键参数：
  • 筛孔尺寸： 标准筛的孔径，以毫米（mm）或微米（µm）表示，遵循特定的标准系列（如ISO、ASTM、GB等）。
  • 筛余量： 停留在某一筛网上的物料质量。
  • 通过量： 通过某一筛网的物料质量。
  • 筛余百分率： 某一粒径组份的质量占总试样质量的百分比。
  • 累计筛余百分率： 大于某一筛孔尺寸的所有组份的质量百分率之和。
  • 通过百分率： 小于某一筛孔尺寸的所有组份的质量百分率之和（= 100% - 累计筛余百分率）。

二、筛分试验的目的与意义

1. 确定粒度分布： 获得物料中不同粒径颗粒所占的比例，绘制粒度分布曲线（筛分曲线），直观反映物料的整体粗细程度和均匀性。
2. 材料分类与规格控制： 判断物料是否符合特定工程或产品对粒度的要求（例如混凝土用砂的级配区、沥青混合料集料的规格、过滤介质的粒径范围等）。
3. 工艺优化： 为破碎、研磨、分选等加工工艺提供依据，优化设备参数和流程。
4. 质量控制与验收： 在生产和使用环节，监控原材料和产品的粒度稳定性。
5. 科学研究： 研究颗粒物料的物理性质（如渗透性、压实性、流动性、反应活性等）与粒度分布的关系。
6. 土工试验基础： 在土壤力学中，筛分是确定土样颗粒组成的第一步，用于土壤分类（如确定砂、砾石含量）。

三、筛分试验所需仪器设备

1. 标准试验筛： 一套符合国家标准或国际标准的金属丝编织网筛或金属穿孔板筛。筛框通常为圆形或方形，筛网牢固安装在筛框上。筛子按孔径大小依次嵌套，最大孔径筛在上，最小孔径筛在下，最底部为接料底盘，最顶部有筛盖。
2. 振筛机： 提供标准化振动或拍击的机械装置，确保筛分效率和一致性。对于精细物料或要求高的场合，振筛机是必需的。
3. 天平： 精度满足试验要求（通常精确到0.1%或0.1g，视样品量和要求而定），用于称量试样总质量及各筛余量。
4. 烘箱： 用于烘干试样（尤其含水分物料），确保试验结果基于干质量（除非试验规程允许湿筛）。
5. 毛刷： 软毛刷用于清理筛网上的颗粒，防止堵塞。
6. 盛料容器及辅助工具： 样品盘、勺子、分样器等。

四、筛分试验操作步骤（干筛法通用流程）

1. 试样制备：
   • 按相关标准规定的方法从大批物料中采集具有代表性的样品。
   • 若物料潮湿或含泥，需将试样放入烘箱（通常105±5°C）烘干至恒重，冷却至室温。
   • 根据最大粒径和标准规定，确定所需的试样最小质量。
   • 用分样器或四分法将总样缩分至试验所需质量（记录为M总）。
2. 套筛组装： 将选好的一套标准筛，按孔径从大到小的顺序自上而下叠放（最大孔径筛在顶部），最下方放置接料底盘，顶部盖上筛盖。
3. 试样装入： 将称量好的干燥试样（M总）小心倒入最顶层的筛子中。
4. 筛分过程：
   • 手工筛分： 双手握住套筛，在平整台面上，以约150次/分的速率，按顺时针、逆时针及上下方向轻轻摇动和拍打套筛。持续规定时间（通常几分钟），直至各筛每分钟通过的物料量小于试样总质量的0.1%为止。
   • 机械筛分： 将装有试样的套筛牢固安装在振筛机上，设定规定的振动/拍击频率和时间（通常5-15分钟）。启动振筛机。
5. 筛余物称量：
   • 筛分结束后，小心取下套筛。
   • 依次将每个筛子及底盘上的物料分别倒入已知质量的样品盘中。
   • 用软毛刷轻轻刷净筛网背面及筛框上的附着颗粒，并入对应筛级的样品中。
   • 称量每个筛上物（筛余物）的质量（m1, m2, ..., mn）和底盘上的物料质量（m底）。记录所有质量。
6. 数据校验： 计算所有筛余物质量与底盘物料质量之和（Σm筛余）。Σm筛余与试样总质量M总的差值（损失量）应不超过M总的1%（或按具体标准要求）。若超差，试验需重做。
7. 数据处理与结果表达：
   • 计算各筛余百分率：(单个筛余质量 mi / M总) × 100%
   • 计算累计筛余百分率（Ai）：从最大孔径筛开始，逐级累加该筛及以上所有筛的筛余百分率。
   • 计算通过百分率（Pi）：Pi = 100% - Ai （Ai为对应筛孔的累计筛余百分率）。
   • 绘制筛分曲线（粒度分布曲线）：通常在半对数坐标纸上，以筛孔尺寸（对数坐标）为横坐标，通过百分率（算术坐标）为纵坐标，将各筛孔对应的通过百分率点连成平滑曲线。
   • 计算特征粒径：如d10（有效粒径，通过率为10%对应的粒径）、d30、d60（控制粒径）、d50（中值粒径）、不均匀系数Cu（=d60/d10）、曲率系数Cc（=(d30)²/(d60*d10)）等（常用于土壤及集料分析）。
   • 填写筛分试验记录表。

五、试验注意事项与误差控制

1. 代表性取样： 这是获得可靠结果的前提。
2. 试样干燥： 确保试样完全干燥（水分会影响颗粒流动性和称量精度），除非规程允许湿筛。
3. 筛网完好性： 试验前检查筛网是否有破损、变形或堵塞。筛孔尺寸需定期校验。
4. 筛分时间与强度： 严格按照规程操作，避免筛分不足（颗粒未充分分离）或过度筛分（颗粒破碎）。
5. 称量精度： 使用合适量程和精度的天平，仔细称量。
6. 损失控制： 操作轻柔，防止物料溅出；毛刷清理彻底但避免损坏筛网。
7. 筛分方式选择： 对含细粒或易团聚的物料，可能需采用湿筛法（加水辅助分散）或结合沉降法分析。
8. 标准一致性： 筛子规格、筛分时间、结果计算方法等必须严格遵循所采用的试验标准（如GB/T 14684《建设用砂》、GB/T 14685《建设用卵石、碎石》、ASTM C136/C136M、ISO 3310-1等）。

六、筛分试验结果的应用

• 工程材料评价： 确定骨料级配是否符合混凝土、沥青混合料、基层材料等的规范要求。
• 土壤工程分类： 作为土壤分类（如《土的工程分类标准》GB/T 50145）的基础数据。
• 过滤介质选择： 确定砂滤料、活性炭等过滤材料的有效粒径和不均匀系数。
• 研磨工艺优化： 评估研磨产品的细度，指导磨机调整。
• 产品质量控制： 监控粉末、颗粒状工业产品（如化肥、催化剂、颜料）的粒度规格。
• 科学研究： 分析颗粒物料堆积密度、孔隙率、渗透性、强度等物理力学性质与粒度分布的关系。

筛分试验以其原理简单直观、设备相对普及、成本较低的优势，成为颗粒物料粒度分析不可或缺的常规方法。掌握其标准操作流程、理解数据处理方法并严格遵守注意事项，是获得准确、可靠粒度分布数据的关键。这些数据为材料应用、工艺设计、质量控制和科学研究奠定了坚实的实践基础。尽管现代激光衍射等粒度分析技术发展迅速，筛分试验因其结果的直观性和在某些粒径范围（特别是粗颗粒）的准确性，仍在众多领域保持着核心地位。