Как сделать гранулометрический состав
Гранулометрический состав
В комплексе исследований физических свойств грунтов наша компания ООО «ГеоЭкоСтройАнализ» профессионально занимается изучением их гранулометрического состава.
Гранулометрическим составом называют распределение зерен (кусков) в соответствии с их крупностью в горных массах, горных породах, почвах, искусственных продуктах. Для определения гранулометрического состава принимают проценты их крупности по отношению к массе образца породы или к количеству зерен.
Гранулометрический состав является важнейшим показателем, определяющим физические свойства и структуру материала. Общепринятую классификацию на основании различных гранулометрических составов не создали, так как слишком различны объекты и цели исследования. В различных сферах и отраслях существует целый ряд классификаций и шкал классов (фракций) по определению крупности.
Для обозначения классов (фракций) обычно используют миллиметры (мм). В геологических исследованиях приняты следующие обозначения осадочных горных пород:
Свыше 500-т мм – валуны крупные;
От 500-т до 250-ти мм – валуны средние;
От 250-ти до 100-а мм – валуны мелкие;
От 100-а до 10-ти мм – галька;
От 10-ти до 5-ти мм – гравий крупный;
От 5-ти до 2-х мм – гравий мелкий;
От 2-х до 1-го мм – песок грубый;
От 0,5-ти до 0,25-ти мм – песок средний;
От 0,25-ти до 0,1-го мм – песок мелкий;
От 0,1-го до 0,05-ти мм – алеврит;
От 0,05-ти до 0,005-ти мм – пыль;
На основании полученных данных о гранулометрическом составе горной массы, которая отделена от массива, оценивают результаты буровзрывных работ, определяют качество продуктов обогащения. Также по гранулометрическому составу выбирают технологическое оборудование, его параметры и тип, которым затем оснащают шахту, окомковательную, обогатительную, дробильно-сортировочную фабрику.
Для определения гранулометрического состава углей и руд, а также неметаллорудных материалов, существуют стандарты, разработанные в соответствии с определенными потребителями минерального сырья. Для определения гранулометрического состава наши специалисты используют комплекс прямых и косвенных методов гранулометрии, в зависимости от того, какая цель ставится при исследовании, и частицы каких размеров подвергаются изучению.
Гранулометрический состав можно представить, как дискретную или непрерывную зависимость между содержанием частиц и их размерами. Для того, чтобы определить дискретную зависимость, производится подразделение интервала размеров частиц исследуемого вещества на несколько классов (фракции). Информация о гранулометрическом составе представлена в качестве процентного содержания всех фракционных частиц.
Ситовой анализ заключается в грохочении проб на различных ситах. Этот метод дает возможность классифицировать частицы по крупности. Данные по величине фракции показывают, какие частицы содержатся в данном диапазоне размеров, которым ограничена фракция. На основании полученных данных строят кривую распределения, непрерывную зависимость, которую называют графическим изображением гранулометрического состава.
Ось абсцисс кривой распределения служит для откладывания размеров частиц, ось ординат становится местом суммарного содержания всех частиц. Кривая распределения выглядит, как интегральная (суммарная) кривая. Определяя гранулометрический состав строительных материалов, в результате анализа иногда получают треугольник.
Получив результаты анализа гранулометрического состава, приступают к составлению таблиц. В них отражается информация по классу, выходу от отдельных классов, суммарному (кумулятивному) выходу по плюсу, другие необходимые данные.
Данные по гранулометрическому составу продуктов, образующихся взрывным и механическим дроблением горных пород, служат для отражения вероятностного процесса образования кусков (зерен) разной крупности после их разрушения. Графики показывают, что, чем больше допустимый размер кусков, тем меньше количество крупной фракции представленной породы, для которой требуется вторичное дробление.
Гранулометрический состав почв и почвообразующих пород и его значение
Твердая фаза почв и почвообразующих пород состоит из обломков (частиц) первичных и вторичных минералов, органического вещества (гумуса) и органо-минеральных соединений, которые называются механическими элементами.
Механические элементы находятся в твердой фазе почв в раздельно-частичном состоянии, а также в виде агрегатов разной формы и величины.
Классификация механических элементов и их свойства
Свойства механических элементов твердой фазы почв и почвообразующих пород, химический и минералогический составы меняются от их размера довольно отчетливо, а иногда и резко, что послужило основанием для разделения их на группы, или фракции.
Такая группировка называется классификацией механических элементов. Наибольшее признание получила классификация механических элементов Н. А. Качинского.
Названия фракций механических элементов
Размеры фракций, мм
Камни (>3 мм) — обломки горных пород и минералов, водопроницаемость провальная, элементы питания находятся в труднодоступной форме.
Гравий (3—1 мм) — обломки первичных минералов, водопроницаемость провальная, водоподъемная способность отсутствует, влагоемкость очень низкая ( 
Песок (1—0,05 мм) — обломки первичных минералов, среди которых преобладают кварц и полевые шпаты; по мере уменьшения диаметра частиц песка возрастает содержание кварца как минерала, более устойчивого к выветриванию; водопроницаемость высокая, низкая водоподъемная способность (от нескольких до 50 см) и низкая влагоемкость (3—10 %).
Пыль крупная (0,05—0,01 мм) — близка по минералогическому составу к фракциям песка, но водные свойства несколько лучше, не участвует в структурообразовании.
Почвы, обогащенные крупной и средней пылью, после дождя и последующего высыхания заплывают с образованием поверхностной корки, отрицательно влияющей на водно-воздушные свойства пахотного горизонта, что может привести к гибели всходов растений; устраняется это боронованием.
Пыль средняя и мелкая (0,01—0,001 мм) — в этих фракциях по сравнению с крупной пылью уменьшается количество кварца и полевых шпатов, особенно в мелкой пыли.
В мелкой пыли больше слюд, роговой обманки, характерно наличие вторичных минералов и гумусовых веществ; частицы средней пыли практически не участвуют в структурообразовании.
А частицы мелкой пыли способны к коагуляции и структурообразованию; влагоемкость и водоподъемная способность высокие; водопроницаемость низкая.
Частицы твердой фазы почвы крупнее 1 мм (камни и гравий) называют скелетной частью, а менее 1 мм — мелкоземом.
Учитывая, что каждая фракция (группа) механических элементов обладает определенными свойствами, от которых зависят показатели плодородия, принято определять их процентное содержание и процентное соотношение.
Процентное содержание каменистой и гравелистой фракций определяют на основе просеивания образца почвы через почвенные сита, а в основу метода разделения по размеру фракций мелкозема положены скорости их падения в воде, рассчитанные по формуле Дж. Т. Стокса.
Классификация почв и почвообразующих пород по гранулометрическому составу
Суммарное процентное содержание фракций мелкозема от 1 до 0,01 мм называют физическим песком, менее же 0,01 мм — физической глиной, а их процентное соотношение — гранулометрическим составом.
Именно это процентное соотношение использовано для характеристики гранулометрического состава, потому что все главнейшие свойства почв особенно резко изменяются на переходе размера частиц мелкозема через 0,01 мм.
В таблице 8 приведена классификация гранулометрического состава Н.А. Качинского (краткая шкала), в которой каждому определенному процентному соотношению физической глины и физического песка дано свое название, заимствованное из народного лексикона.
Эта классификация получила в почвоведении наибольшее признание.
В таблице 8 для краткости не приводится процентное содержание физического песка, а подразумевается, что на него приходится все остальное (до 100 %) процентное содержание мелкозема размером 0,01—1 мм.
8. Классификация почв по гранулометрическому составу Н. А. Качинского
Краткое название по гранулометрическому составу
Содержание физической глины (частиц 80
II. Классификация почв по каменистости
Степень каменистости почвы
Чем больше физической глины в твердой фазе почв, тем тяжелее их обрабатывать, поэтому в агрономической практике различают почвы тяжелые и легкие.
К тяжелым относятся глинистые и тяжелосуглинистые почвы, почвы легко- и среднесуглинистые менее тяжелые по гранулометрическому составу, легкими называют супесчаные и песчаные почвы.
В почвах более тяжелых при равных условиях с легкими (плотность, гумусность и т. д.) в одном и том же объеме твердой фазы содержится в естественных условиях больше воздуха и влаги вследствие повышенной пористости и суммарной удельной поверхности частиц мелкозема.
Так как воздух — плохой проводник тепла, а вода обладает высокой теплоемкостью, то тяжелые почвы нагреваются солнцем медленнее легких, поэтому в агрономической практике их называют холодными, а легкие почвы — теплыми.
Из таблицы 8 видно, что для почв разных типов почвообразования при одном и том же гранулометрическом составе (начиная с супеси) содержание физической глины разное.
Это связано с тем, что частицы физической глины почв разных типов почвообразования обладают разной способностью к агрегатированию, имеют неодинаковый качественный состав и свойства. Например, в солонцах и сильносолонцеватых почвах содержится повышенное количество обменного катиона натрия.
В результате усиливаются связность почв при высыхании и липкость при увлажнении. Из-за этого солонцы и сильносолонцеватые почвы на одну градацию тяжелее почв подзолистого типа почвообразования, которые содержат в почвенном поглощающем комплексе повышенное количество водородных ионов, усиливающих дисперсность твердой фазы.
Почвы степного типа почвообразования вследствие хорошей гумусированности (гуматного типа гумуса), высокой насыщенности почвенного поглощающего комплекса катионами кальция и магния обладают повышенной способностью к агрегатированию.
Поэтому они при одном и том же содержании физической глины являются более легкими по сравнению с минеральными почвами других типов почвообразования.
Кроме кратких названий почв и почвообразующих пород по гранулометрическому составу (см. табл. 
в почвоведении используют также полные названия, в которых к краткому названию добавляют названия двух преобладающих по содержанию групп фракций мелкозема: песчаной (1—0,05 мм), крупнопылеватой (0,05—0,01 мм), пылеватой (0,01—0,001) или иловатой ( 3 мм), то в зависимости от их процентного содержания к названию по гранулометрическому составу мелкозема добавляют название по степени каменистости (см. табл. 8). Например, суглинок легкий пылевато-песчаный среднекаменистый (при содержании камней 5—10 %).
Значение гранулометрического состава
Гранулометрический состав определяет практически все свойства почв, поэтому его необходимо учитывать в работе агронома.
Чем тяжелее гранулометрический состав, тем богаче минералогический состав почв, больше валовых и подвижных элементов питания растений, активнее совершаются гумусово-аккумулятивные процессы и процессы структурообразования.
Выше поглотительная способность, теплоемкость, влагоемкость, биогенность почв, ниже водо- и воздухопроницаемость и т. д. Таким образом, гранулометрический состав влияет на основные показатели плодородия.
От гранулометрического состава зависят:
Гранулометрический состав влияет на интенсивность развития водной и ветровой эрозий, на проходимость транспорта по грунтовым дорогам.
От гранулометрического состава зависят технологические особенности агроприемов:
От гранулометрического состава зависят затраты топлива на обработку почв, на земляные работы.
Какой же гранулометрический состав лучше для земледелия? Многие наиболее благоприятные свойства и режимы складываются в легко- и среднесуглинистых почвах.
Однако при хорошей оструктуренности почв, например черноземов, лучшими будут тяжелосуглинистые и глинистые почвы. В агрономической практике используют приемы, позволяющие при необходимости регулировать гранулометрический состав. На песчаных почвах проводят глинование, на глинистых — пескование.
Контрольные вопросы и задания
Определение гранулометрического состава дисперсных грунтов
Одной из наиболее важных характеристик гpyппa является гранулометрический состав — весовое содержание частиц различной крупности, выраженное в процентах по отношению к массе сухой пробы, взятой для анализа. Количественное содержание в грунте твердых водостойких агрегированных частиц того или иного размера называется микроагрегатным составом.
Методы седиментации основаны на зависимости Джорджа Стокса, задающей предельную скорость, с которой твердые частицы осаждаются в текучей среде. Для частиц радиуса г (менее О, I мм) предельная скорость составляет:
Эквивалентный диаметр частиц рассчитывается по уравнению
Наибольшее распространение в инженерно-геологической практике в России получили ситовой анализ, ареометрический и пипеточный анализ (табл. 2.10). Общие процедуры ситового и ареометрического анализа представлены на рис. 2.17, а и б.
Перед началом анализа пробы грунта при разделении их на фракции подготавливают:
Методы определения состава грунтов [41]
Песчаные, при выделении зерен крупностью:
Ситовой без промывки водой
Ситовой с промывкой водой
Гранулометрический и микроагрегатный составы
Пески и глинистые грунты
Содержание растительных остатков
Выделение сухим или мокрым способом
Оксидометрический после удаления хлоридов
1 (секи и глинистые грунты, содержащие менее 10 % гумуса
Сухое сжигание, после удаления карбонатов
1 (секи и глинистые грунты, содержащие более 10 % гумуса
Для определения гранулометрического и микроагрегатного состава грунтов, содержащих органические вещества, следует брать образцы природной влажности.
При определении гранулометрического (зернового) или микроагрегатного состава глинистых грунтов ареометрическим или пипеточным методом цилиндры, в которых производится отстаивание суспензии, должны быть защищены от колебания температуры и не подвергаться сотрясениям.
Ситовой метод определения гранулометрического состава [18]. Для определения гранулометрического (зернового) состава песчаных грунтов ситовым методом необходим набор си г с размером отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм с поддоном и грохота (рис. 2.18).
Рис. 2.18. Набор сит и машина для просеивания грунтов (136]
Масса средней пробы должна составлять:
Среднюю пробу для анализа следует отбирать методом квартования. Для этого грунт распределяют тонким слоем по листу плотной бумаги или фанеры, проводят ножом в продольном и поперечном направлениях борозды, разделяя поверхность грунта на квадраты, после чего отбирают понемногу грунт из каждого квадрата.
Фракции грунта, задержавшиеся на ситах, высыпают, начиная с верхнего сита, в ступку и дополнительно растирают пестиком с резиновым наконечником, после чего вновь просеивают на этих же ситах. Полноту просеивания фракций грунта проверяют встряхиванием каждого сита над листом бумаги. Если при этом на лист выпадают частицы, то их высыпают на следующее сито; просев продолжают до тех пор, пока на бумагу перестанут выпадать частицы. Фракции грунта, задержавшиеся после просеивания на каждом сите и прошедшие в поддон, следует перенести в заранее взвешенные стаканчики или фарфоровые чашечки и взвесить. Затем необходимо сложить веса всех фракций грунта. Если полученная сумма веса грунта превышает более чем на 1 % вес взятой пробы, то анализ следует повторить. Потерю грунта при просеивании разносят по всем фракциям пропорционально их весу.
Разделение грунта на фракции с промывкой водой [18]. Следует отобрать среднюю пробу грунта, высыпать ее в заранее взвешенную фарфоровую чашку, смочить водой и растереть пестиком с резиновым наконечником. Затем следует залить грунт водой, взмутить суспензию и дать отстояться 10. 15 с. Слить воду с неосевшими частицами (взвесь) сквозь сито с отверстиями размером 0,1 мм.
Взмучивание и сливание следует производить до полного осветления воды над осадком. затем смыть оставшиеся на сиге частицы при помощи резиновой груши в фарфоровую чашку, а отстоявшуюся воду слить. Промытую пробу грунта необходимо высушить до воздушно-сухого состояния и взвесить чашку с грунтом. Вес частиц грунта размером менее 0,1 мм следует определить по разности между весом средней пробы, взятой для анализа, и весом высушенной пробы грунта после промывки.
Грунт следует просеять сквозь набор сит. Полноту просеивания фракций грунта сквозь каждое сито следует проверять над листом бумаги. Каждую фракцию грунта, задержавшуюся на ситах, следует взвесить отдельно. Потерю грунта при просеивании разносят по фракциям пропорционально их весу.
Содержание в грунте каждой фракции Ав % надлежит вычислять по формуле
Результаты анализа регистрируют в журнале, в котором указывают процентное содержание в грунте фракций:
Если сумма веса всех фракций грунта превышает более чем на 1 % вес взятой для анализа пробы, то анализ следует повторить.
Для установления наименования крупнообломочного или песчаного грунта по табл. 2.3 последовательно суммируют проценты содержания частиц исследуемого грунта: сначала крупнее 10 мм, затем крупнее 2 мм, далее крупнее 0,5 мм и т. д. Наименование грунта принимают по первому удовлетворяющему показателю в порядке расположения наименований в табл. 2.3.
Для определения гранулометрического состава крупнообломочных грунтов и гравелистых песков в поле следует осуществлять грохочение и рассев проб по фракциям. Следует также выполнять петрографическую разборку по фракциям гравия и гальки после рассева в полевых условиях крупнообломочных грунтов и определять процентное содержание различных петрографических разновидностей.
Определение гранулометрического состава ареометрическим методом [18] производят путем измерения плотности суспензии ареометром в процессе ее отстаивания. На рис. 2.19 приведено оборудование, применяемое для ареометрического анализа. Методом квартования отбирают среднюю пробу из грунта, прошедшего сквозь сито с размером отверстий 1 мм, в заранее взвешенную фарфоровую чашку и взвешивают ее. Масса средней пробы должна быть:
Из грунтов, содержащих органические вещества, следует отбирать пробу грунта с учетом природной влажности, соответственно увеличив величину пробы. Одновременно с взятием средней пробы для определения гранулометрического состава надлежит отобрать пробы грунта массой не менее 15 г каждая для определения гигроскопической или природной влажности.
При разделении на фракции пробы грунта, суспензия которой не коагулирует, для промывания, смывания осадков и разбавления суспензии должна применяться дистиллированная
вода с добавлением на 1 л 0,5 ем 3 25-го раствора аммиака. Среднюю пробу грунта, суспензия которого при опробовании на коагуляцию не коагулирует, переносят в колбу емкостью
Суспензию необходимо слить в стеклянный цилиндр емкостью 1 л сквозь сито с размером отверстий 0,1 мм, помещенное в воронку диаметром приблизительно 14 см. Оставшиеся на внутренней поверхности колбы частицы грунта следует тщательно смыть водой из промывалки.
К средней пробе грунта, суспензия которого при опробовании на коагуляцию коагулирует, добавляют воду, взбалтывают и сливают взвесь в стеклянный цилиндр сквозь сито с размером отверстий 0,1 мм, не производя размачивания в течение суток и последующего кипячения.
Задержавшиеся на сите частицы и агрегаты грунта необходимо смыть струей воды в фарфоровую чашку, где их тщательно растереть пестиком е резиновым наконечником или пальцем в тонком резиновом чехле, затем слить образовавшуюся в чашке взвесь в цилиндр сквозь сито с размером отверстий 0,1 мм. Растирание осадка в чашке и сливание взвеси сквозь сито в цилиндр следует продолжать до полного осветления воды над частицами, оставшимися на дне чашки. Частицы грунта, задержавшиеся на сите, надлежит добавить к частицам, оставшимся на дне фарфоровой чашки, перенести их в заранее взвешенный фарфоровый тигель или стеклянный стаканчик, выпарить на песчаной бане, высушить в сушильном шкафу до постоянного веса.
Определить по табл. 2.11 время взятия отсчета по ареометру после окончания взбалтывания суспензии. Затем за 10. 12 с до замера плотности суспензии следует осторожно опустить в нее ареометр, который должен свободно плавать, не касаясь стенок цилиндра, и взять отсчет по ареометру R. Продолжительность взятия отсчета по ареометру должна быть 5. 7 с.
Время взятия отсчета по ареометру
Диаметр фракций зерен трута, мм
Время от конца взбалтывания суспензии до замера ее плотности