筛分实验
一、实验目的
(1)测定天然河砂的颗粒级配。
(2)绘制筛分级配曲线，求d0、d80、K80。
(3)按设计要求对上述河砂进行再筛选。
二、实验原理
滤料级配是指将不同大小粒径的滤料按一定比例加以组合，以取得良好的过滤效果。滤料是带棱角的颗粒，其粒径是指把滤料颗粒包围在内的球体直径(这是一个假想直径)。
在生产中简单的筛分方法是用一套不同孔径的筛子筛分滤料试样，选取合适的粒径级配。我国现行规范是以筛孔孔径0.5 mm及1.2mm两种规格的筛子过筛，取其中段。这虽然简便易行但不能反映滤料孔径的均匀程度，因此还应该考虑级配情况。
能反映级配状况的指标是通过筛分级配曲线求得的有效粒径的d10以及d80和不均匀系数K80。d10是表示通过滤料质量10％的筛孔孔径，它反映滤料中细颗粒尺寸，即产生水头损失的“有效”部分尺寸；d80系指通过滤料质量80％的筛孔孔径，它反映粗颗粒尺寸；K80为d80与d10之比，即K80＝d80/d10。K80越大表示粗细颗粒尺寸相差越大，滤料粒径越不均匀，这样的滤料对过滤及反冲均不利。尤其是反冲时，为了满足滤料粗颗粒的膨胀要求就会使细颗粒固过大的反冲强度而被冲走：反之，若为满足细颗粒个被冲走的要求而减小反冲强度，粗颗粒可能因冲不起来而得不到充分清洗。故滤料需经过筛分级配。
三、实验内容
3.1 实验设备与试剂
(1)圆孔筛一套，直径0.15-0.9mm，筛孔尺寸如表4-1所示。
(2)托盘天平，称量300g，感量0.1g。
(3)烘箱。
(4)带拍摇筛机，如无，则人工手摇。
(5)浅盘和刷（软、硬）。
(6)1000mL量筒。
3.2 实验步骤
(1)取样。取天然河砂300g，取样时要先将取样部位的表层铲去，然后取样。将
取样器中的砂样洗净后放在栈盘中，将浅盘置于105℃恒温箱中烘干，冷至室温备用。
(2)称取砂样200g，选用一组筛子过筛。筛子按筛孔大小顺序排列，砂样放在最
上面的一只筛（1.68mm 筛）中。
(3)将该组套筛装入摇筛机，摇筛约5min，然后将筛套取出，再按筛孔大小顺序
在洁净的浅盘上逐个进行手筛，直至每分钟的筛出量不超过试样总量的0.1%时为止。通过的砂颗粒并入下一筛号一起过筛，这样依次进行直至各筛号全部筛完。若无摇筛机，可直接用手筛。
(4)称量在各个筛上的筛余试样的质量（精确至0.1g）。所有各筛余质量与底盆中
剩余试样质量之和与筛分前的试样总质量相比，其差值不应超过1%。(5)将上述所得的各项数值填入表4-1 中。
四、数据记录与整理
表4-1 筛分记录表
由上表可以得知，共称取200.0g河砂进行筛分，筛分后砂样总质量减少为199.3，与筛分前称取质量相比，其相对误差为：
δ=200.0−199.3
200.0
×100%=0.35%
前后质量相差小于1%，故实验数据可用于理论分析。
实验误差的可能来源有：
①筛分时有小部分砂粒卡在筛孔中，这部分取不出的砂粒无法纳入天平进行称量，因此导致砂样质量损失。
②在将砂样转移到烧杯的过程中，可能有一小部分砂粒未能倒入烧杯中，从而使实验称量结果偏小。
五、数据处理与分析
5.1 相关计算
1. 筛余百分率计算
即用各筛号的筛余量除以试样总质量的百分率，计算结果记录在表4-1中。以10号筛号为例，计算过程如下：
η10=172.1
200.0
×100%=13.65%
2. 通过各号筛的砂量百分率计算
即用通过各筛号的砂量除以试样总质量的百分率，计算结果记录在表4-1中。以10号筛号为例，计算过程如下：
θ10=96.5÷100.0×100%=96.5%
θ10=27.2
200.0
×100%=86.35%
5.2 滤料筛分级配曲线的绘制
根据表4-1的相关数据，以筛孔孔径为横坐标、通过筛孔的砂量百分率为纵坐标，绘制滤料筛分级配曲线如图5-1所示。
图5-1 滤料筛分级配曲线
根据散点图的分布特点选择合适的曲线模型进行拟合，拟合函数的相关参数如表5-1所示。其相关系数R2=0.97257，极其接近1，说明曲线的拟合效果较好。
表5-1 滤料筛分级配曲线拟合方程参数
代入表5-1的参数数值可得滤料筛分级配曲线的拟合方程为
y =−130.56×exp (﹣
x
0.37902
) +85.77679
当y = 10时，解得d10 = x ≈ 0.206mm 当y = 80时，解得d80 = x ≈ 1.182mm 故不均匀系数为
K80=d80
10
=
1.182
=5.74
5.3 不均匀系数分析
滤料的不均匀系数是指80%（按质量计算）能通过筛孔孔径（d80）的滤料，与10%滤料能通过的筛孔孔径（d10）的滤料之比。
不均匀系数越大表明滤料粒径的分布越不均匀。滤池在反冲洗的过程中，滤料呈流化和膨胀状态，冲洗完成后细小颗粒滤料积聚在滤床上部，大颗粒滤料沉到滤床底部，由上而下形成细-粗滤料滤床。不均匀系数越大，形成粗细的差距就越明显，这种滤料称为级配滤料，级配滤料的不均匀系数K80一般为1.6~2.0。
当不均匀系数过大时，滤料颗粒极不均匀，将影响过滤效果：一是使反洗操作困难。因为当反洗强度太大时，会带出细小颗粒的滤料，造成滤料的流失。而当反洗强度太小时，又不能松动下部大块滤料，长期下去，易造成滤层“结块”，这样会使过滤情况恶化。二是由于滤料颗粒大小不均匀，就会有细小的滤料颗粒。这些细小颗粒会因反洗等原因集中在滤层表面，结果又会使过滤下来的污物堆积在滤层表面，使过滤时的水头损失增加太快，使过滤周期变短。
本次筛分实验测出的不均匀系数K80为5.74，远远大于设计要求（1.6~2.0），
